基于CFD－DEM的文丘里供料器設(shè)計(jì)*

姚艷萍 劉素琰 劉永強(qiáng)

太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 太原 030024

0 引言

氣力輸送指空氣或是其他氣體在建立好的管道路線里進(jìn)行流動(dòng)，將物料顆粒從初始位置搬運(yùn)到目的位置的技術(shù)。氣力輸送系統(tǒng)由4個(gè)部分組成，分別為壓縮機(jī)、供料器、輸送管道以及分離器。這種輸送方式有很高的輸送效率，設(shè)備構(gòu)造較簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，管理方便，同時(shí)也易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、能源、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等方面[1]。

供料器是氣力輸送系統(tǒng)中很重要的一部分，用于將粉粒體運(yùn)送到輸送管道中，并與氣流進(jìn)行混合。而文丘里供料器是氣力輸送系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的供料裝置，有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少、價(jià)格便宜、物料輸送速度高和連續(xù)性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于各種輸送系統(tǒng)中[2]。研究文丘里供料器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)特性、流體運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其輸送性能的影響有重要的工程意義。

本文基于氣力輸送的文丘里管理論公式，設(shè)計(jì)了文丘里供料器的結(jié)構(gòu)，使用Solidworks建立了其三維模型，然后使用Fluent和EDEM耦合的方法對(duì)文丘里供料器展開仿真研究。

1 文丘里供料器結(jié)構(gòu)及原理

文丘里供料器也稱為氣-固噴射器，是氣力輸送系統(tǒng)中較簡(jiǎn)單的一種供料設(shè)備，圖1為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由5部分構(gòu)成，分別為噴嘴、供料器、混合室、接收室及擴(kuò)散室。其原理是使用高速的氣流來對(duì)粉粒體物料進(jìn)行運(yùn)輸，帶一定壓力的壓縮空氣從噴嘴射出，在接收室內(nèi)形成高速氣流，并使接收室內(nèi)形成負(fù)壓，物料在自身重力和大氣壓的雙重作用下落進(jìn)接收室，高速氣流攜帶物料一起進(jìn)入混合室并進(jìn)一步混合均勻，然后通過擴(kuò)散室進(jìn)入氣力輸送管道[3]。

圖1 文丘里供料器簡(jiǎn)圖

2 文丘里供料器參數(shù)計(jì)算

文丘里供料器結(jié)構(gòu)參數(shù)包括輸送管直徑、噴嘴入口以及出口的直徑、噴嘴長度、混合室入口、出口直徑、混合室長度、擴(kuò)散室長度等[4]。已知參數(shù)有：風(fēng)機(jī)入口壓力為大氣壓，風(fēng)機(jī)出口壓力為27 kPa，流量Q=14 m3/min，聯(lián)合收割機(jī)喂入量q=0.7 kg/s，輸送管道由1.5 m水平管道、4 m垂直管道和3個(gè)90°彎管組成。由文獻(xiàn)[5]提供的文丘里管理論公式，可計(jì)算出文丘里供料器相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1）輸送參數(shù)的計(jì)算

2）管道出口阻力計(jì)算

3）性能計(jì)算

4）結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

由以上計(jì)算結(jié)果可得，文丘里供料器結(jié)構(gòu)如表1所示，物料入口和水平面有傾角，這樣可以讓物料有一定的水平初速度進(jìn)行下落，既可讓物料平穩(wěn)運(yùn)輸，還可減少能量消耗。

表1 文丘里供料器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

3 幾何建模與仿真

使用三維建模軟件Solidworks建立文丘里供料器的三維模型，如圖2所示。此結(jié)構(gòu)為殼體，在用EDEM與Fluent耦合的方法進(jìn)行仿真時(shí)，F(xiàn)luent的計(jì)算域是流體域，將文丘里供料器三維模型導(dǎo)入Ansys軟件的DesignModeler模塊中，對(duì)其三維模型進(jìn)行抽取流體域[6]，流體域結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 文丘里供料器殼體模型圖

圖3 文丘里供料器流體域模型圖

使用EDEM軟件與Fluent軟件耦合的方法對(duì)文丘里供料器進(jìn)行仿真研究。如圖4所示為文丘里供料器的速度云圖，可以看出，氣體在通過噴嘴的時(shí)候，管徑慢慢減小，同時(shí)速度不斷變大，在噴嘴喉徑處速度最大；在接收室通過混合室和擴(kuò)散室時(shí)，混合流速逐漸降低；氣體在噴嘴喉徑處有一個(gè)穩(wěn)定的高速氣流點(diǎn)，從而可以讓物料進(jìn)入到接收室的時(shí)候可以和高速氣流充分的混合且以很快的速度進(jìn)行輸送。

圖4 文丘里供料器速度云圖

物料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖5～圖8所示。由圖5～圖8能夠看到物料在文丘里供料器中的運(yùn)動(dòng)軌跡，物料在自身重力和大氣壓的雙重作用下能很容易地落進(jìn)接收室內(nèi)，顆粒下落以后和高速氣流融合，并高速的進(jìn)行運(yùn)輸，在經(jīng)過混合室的時(shí)候在其壁面發(fā)生反彈，從而讓混合流體變的平穩(wěn)，保證在擴(kuò)散室里面輸送時(shí)的穩(wěn)定。

圖5 文丘里供料器生成顆粒圖

圖6 文丘里供料器顆粒速度流量圖

圖7 顆?？偭克俣葓D

圖8 顆粒速度時(shí)間圖

5 結(jié)論

本文主要使用EDEM－Fluent耦合的方法對(duì)文丘里供料器進(jìn)行模擬仿真研究，對(duì)最后仿真結(jié)果的氣體速度以及顆粒運(yùn)動(dòng)的具體軌跡進(jìn)行了詳細(xì)分析。經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)文丘里供料器噴嘴喉徑的位置能擁有穩(wěn)定的高射流，可以更穩(wěn)定地對(duì)運(yùn)輸顆粒。然而因噴嘴的射流是有一定范圍限制，當(dāng)顆粒在供料器的邊緣進(jìn)入接收室的速度過大時(shí)，顆粒就下落到壁面進(jìn)行反彈，然后運(yùn)動(dòng)到噴嘴上下兩端，聚集在接收室左側(cè)，造成物料的殘留，故該裝置還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。