基于振蕩流的氣固兩相流流動(dòng)特性分析

王涌鋰,董林

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海201600）

稀相氣力輸送是一種以空氣為介質(zhì)在管道中輸送粉狀、顆粒狀物料的方法,是化工、材料、能源等工業(yè)運(yùn)輸中重要的一部分,這些使得氣力輸送系統(tǒng)能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)工藝中.然而,因?yàn)橹亓Φ淖饔?輸送的顆粒容易在管道底部或彎管處沉積,當(dāng)空氣速度較低時(shí)容易產(chǎn)生堵塞,造成的壓降過(guò)大,因此稀相氣力輸送通常需要使用高速氣體,但是空氣運(yùn)輸速度過(guò)高會(huì)加劇顆粒與顆粒之間,顆粒與管道之間的沖擊,造成顆粒的降解以及管道的腐蝕與磨損,這些限制了稀相氣力輸送系統(tǒng)的應(yīng)用.為了有效地防止管道侵蝕和顆粒沉積,實(shí)現(xiàn)低能耗輸送,需要降低輸送速度,將壓降和輸送速度控制到盡可能低的值作為氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)則之一.

近些年來(lái),研究者針對(duì)氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)研究.Klinzing[1]通過(guò)對(duì)氣力輸送背景的調(diào)查,提出了該領(lǐng)域需要解決的問題.Li 等[2]提出了一種旋流氣力輸送（swirling flow pneumatic conveying,SFPC）系統(tǒng),并對(duì)水平管道中的SFPC 系統(tǒng)進(jìn)行了總壓降、固體流型、功率消耗和附加壓降的試驗(yàn)研究.發(fā)現(xiàn)在較低的氣速范圍內(nèi),SFPC 的壓降、功耗和附加壓降均低于軸流氣力輸送.Dong 等[3]采用旋轉(zhuǎn)式旋流器和非旋轉(zhuǎn)式旋流器進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式旋流器節(jié)能效果更好.Zhou 等[4]為三種類型的旋流發(fā)生器開發(fā)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)- 離散元耦合的氣體和顆粒流動(dòng)模型,進(jìn)行網(wǎng)格和時(shí)間尺寸相關(guān)性測(cè)試以驗(yàn)證數(shù)值模型,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)三葉旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流數(shù)大,但衰減速度快,內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)旋流發(fā)生器最有利于大顆粒運(yùn)輸.朱雷[5]和雒春升[6]為了更有效地降低運(yùn)輸速度和功率系數(shù),采用了一種新型的振蕩流發(fā)生器,并用數(shù)值模型進(jìn)一步解釋了振蕩流的節(jié)能機(jī)理.Sharma 等[7]利用數(shù)值分析和可變流化堆積密度引入了一個(gè)新的顆粒速度模型,該模型表明滑移速度隨著空氣質(zhì)量流量和無(wú)量綱長(zhǎng)度的增加而減小.

直管是氣力輸送系統(tǒng)中最常見的,最必不可少的裝置,當(dāng)顆粒從供料處進(jìn)入管道時(shí),顆粒在被氣體加速前速度低,顆粒沉積到管道底部,出現(xiàn)堆積,造成壓降,因此對(duì)直管加速區(qū)域的研究十分重要.在很多節(jié)能氣力輸送技術(shù)中,在顆粒入口前激發(fā)氣體振蕩流是最有效和簡(jiǎn)單的方法.晏飛[8]應(yīng)用了沙丘模型,該模型安裝在樣品顆粒進(jìn)料附近水平管的底部,發(fā)現(xiàn)成功降低了功耗和輸送速度.為了降低功耗和氣體速度,Yan 等[9-10]使用均勻長(zhǎng)度的軟翅片,這些翅片固定在進(jìn)氣口附近的水平氣動(dòng)輸送管的水平或垂直中心平面上.試驗(yàn)結(jié)果表明,在低風(fēng)速范圍內(nèi),使用軟翅片可以降低功耗,降低壓降以及最小輸送速度.Dong 等[11]在Yan 的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地改進(jìn)為非均勻軟翅, 結(jié)果表明帶有非均勻翅片的流動(dòng)中造成的顆粒波動(dòng)速度的強(qiáng)度比帶有均勻翅片和不帶翅片的流動(dòng)中產(chǎn)生的軸向和垂直顆粒波動(dòng)強(qiáng)度高, 這些尤其是體現(xiàn)在管道頂部附近.Dong 等[12]通過(guò)在入口前布置不同寬度的格柵,用以產(chǎn)生振蕩流以加速懸浮粒子,試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了格柵的有效性.

氣體通過(guò)方形柱體時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生具有高波動(dòng)速度的強(qiáng)烈振蕩尾流,出現(xiàn)卡門渦脫落,這種振蕩尾跡流可以用來(lái)加速或懸浮加速區(qū)的顆粒,也給本研究提供了新的思路.將方形柱體和軟翅片組合使用,將方形柱體與軟翅片連接,氣流先通過(guò)方形柱體產(chǎn)生振蕩的尾跡流,這種尾跡流進(jìn)一步激發(fā)軟翅片的振動(dòng),提高軟翅的擺動(dòng)效率.

本文旨在研究和比較軟翅和方形柱體支撐器組合模型產(chǎn)生的振蕩流對(duì)壓降、輸送速度、功率消耗的影響.此外,采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry,PIV）分析管道中模型對(duì)空氣流場(chǎng)和顆粒流場(chǎng)的影響,闡明模型的節(jié)能機(jī)理.

1 試驗(yàn)裝置及程序

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

圖1 是本研究中使用的試驗(yàn)裝置的示意圖,在本試驗(yàn)研究中,由于重點(diǎn)研究粒子的加速區(qū)域,因此,本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置的輸送距離比實(shí)際的氣力輸送裝置短,但這個(gè)距離足以驗(yàn)證節(jié)能裝置的效果,這套試驗(yàn)裝置也可視為實(shí)際氣動(dòng)輸送系統(tǒng)的一部分.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental facility

本文采用稀相正壓氣力輸送系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置,如圖1 所示,氣流由鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)流量計(jì)吹入管道,打開閥門,固體顆粒在重力的作用下從供給倉(cāng)進(jìn)入水平管道,裝置位置在顆粒進(jìn)入管道的入口前,氣流經(jīng)過(guò)節(jié)能裝置引發(fā)渦流干擾,產(chǎn)生湍流擴(kuò)散攜帶從入口進(jìn)入的顆粒,之后顆粒進(jìn)入光滑丙烯酸試驗(yàn)管道.進(jìn)料入口后的水平管道長(zhǎng)為5 000 mm.整個(gè)系統(tǒng)管道內(nèi)徑為80 mm,彎管與直管連接處精準(zhǔn)匹配,可忽略對(duì)顆粒運(yùn)行的影響.管道的出口處有分離器,管道的試驗(yàn)顆粒經(jīng)過(guò)分離器分離進(jìn)入接收倉(cāng)中,接收倉(cāng)下有一個(gè)鼓風(fēng)機(jī),吹動(dòng)顆粒,顆粒經(jīng)過(guò)回收管回到供給倉(cāng),循環(huán)使用進(jìn)行試驗(yàn).

運(yùn)輸管道中的空氣流速由孔板流量計(jì)計(jì)算出來(lái), 管壁上的靜壓力由圖1 中兩個(gè)壓力計(jì)位置之間的壓力傳感器測(cè)量.這些數(shù)據(jù)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器輸入到PC,并作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理.

將平均直徑為2.3 mm,固體材料密度為978 kg/m3的圓柱形聚乙烯顆粒作為試驗(yàn)的運(yùn)輸材料,顆粒的圖片如圖2 所示.選擇這些顆粒的原因是它們的密度和平均粒徑與氣力運(yùn)輸中的顆粒相對(duì)接近.試驗(yàn)中的氣體速度的試驗(yàn)范圍為10～16 m/s,固體質(zhì)量流量Gs分別為0.10 kg/s、0.25 kg/s 和0.47 kg/s.

圖2 試驗(yàn)固體顆粒Fig.2 Experimental solid particles

1.2 非均勻軟翅和方形柱體支撐器

在氣力輸送中,氣流是紊亂的,當(dāng)氣流通過(guò)軟翅片時(shí),會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng),這導(dǎo)致翅片振蕩,翅片上下兩邊的壓力差導(dǎo)致劇烈的振蕩,氣流在垂直方向上產(chǎn)生波動(dòng),被輸送的粒子獲得較大的懸浮力,這有利于防止顆粒的沉積和堵塞,有利于顆粒的運(yùn)輸.

在Dong 等[11]的研究中,采用了改進(jìn)的四片非均勻軟翅安裝在顆粒進(jìn)口前的水平面上,有效地降低了功率消耗和氣體輸送速度,非均勻的軟翅片也減小了軟翅片之間的干擾,減小了軟翅磨損.為了增強(qiáng)軟翅片的振動(dòng)效應(yīng),試驗(yàn)中使用不同尺寸方形柱體支撐器和非均勻軟翅片進(jìn)行組合使用.

本試驗(yàn)采用的軟翅片如圖3 所示,每個(gè)軟翅片由19 mm 寬、0.1 mm 厚的聚乙烯組成,密度為798 kg/m3.如圖3 所示,位于中心位置的兩片長(zhǎng)300 mm,兩邊兩片長(zhǎng)度為260 mm.這種類型的軟翅片在參考文獻(xiàn)[11]中被稱作Fin260,它的節(jié)能效果已得到驗(yàn)證.

圖3 軟翅Fig.3 Fin

使用的聚乳酸方形柱體支撐器如圖4 所示,方形柱體窄邊的長(zhǎng)度分別為5 mm、10 mm、15 mm.使用三種不同的方形柱體支撐器與Fin260 進(jìn)行組合,評(píng)估不同尺寸的方形柱體支撐器和軟翅的組合對(duì)氣流振蕩的影響.

圖4 方形柱體支撐器Fig.4 Models of square cylinders

非均勻長(zhǎng)度的軟翅片和方形柱體支撐器進(jìn)行連接,并放置在管道中,組合裝置的安裝圖如圖5 所示.氣流流經(jīng)方形柱體支撐器后氣流分離所產(chǎn)生的渦流對(duì)氣流進(jìn)行擾動(dòng),進(jìn)一步增強(qiáng)軟翅片的振蕩效應(yīng).軟翅片尾端的距離顆粒進(jìn)料口0.33 m,防止顆粒進(jìn)入管道后與軟翅片接觸.

圖5 軟翅片和方形柱體支撐器的安裝布置Fig.5 Square cylinder model and non-uniform soft fins mounted on a pipe

1.3 PIV 的測(cè)量方法

PIV（粒子圖像測(cè)速）測(cè)量值是在距離粒子入口0.3 m 處獲得的.采用分辨率為1 024×576 像素的高速相機(jī),以每秒1 000 幀的幀率捕捉連續(xù)的數(shù)字粒子圖像,每幀的快門速度設(shè)置為0.1 ms.利用b=2 mm 厚的激光光板照射粒子流動(dòng),顆粒的質(zhì)量流速被設(shè)定為0.1 kg/s、0.25 kg/s 和0.47 kg/s,空氣速度被設(shè)定為每種條件下的最小輸送速度.

PIV 可對(duì)流動(dòng)進(jìn)行定量可視化.通過(guò)使用這種方法,可以在不干擾流場(chǎng)的情況下跟蹤和捕獲圖像的粒子,并且可以獲得諸如速度分布之類的二維圖像信息.粒子圖像測(cè)速的空間相關(guān)性被用于計(jì)算氣固兩相流中各組粒子的速度.如圖6 所示,我們將粒子圖像分成數(shù)百個(gè)詢問區(qū)域.每個(gè)詢問區(qū)域包含被定義為一個(gè)粒子組的幾個(gè)粒子,然后利用粒子圖像測(cè)速軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析,通過(guò)尋找兩幅圖像之間亮度值的相似模式來(lái)計(jì)算平均移位.這些模式的相似性是用相關(guān)函數(shù)來(lái)評(píng)估得到的粒子速度,用間隔位置分別除以時(shí)間求出垂直方向與水平方向的速度,即得到局部瞬時(shí)粒子速度.

圖6 PIV 測(cè)量裝置Fig.6 PIV measurement setup

圖7 測(cè)量壓差的點(diǎn)Fig.7 Differential pressure test point

2 結(jié)果和討論

2.1 壓降與功率消耗

在本研究中,運(yùn)輸管道中的空氣速度在10～16 m/s 之間,管道中的空氣被視為不可壓縮的流體,管道中的流動(dòng)被假定為穩(wěn)定的一維流動(dòng).管道中的壓力是用一個(gè)傳感器測(cè)量的,顆粒進(jìn)料前的壓力與管道出口處的壓力之差就是壓降,用壓力計(jì)來(lái)測(cè)量,計(jì)算公式如公式1

P1:供應(yīng)口前的靜態(tài)壓力Pa,

P2:管道出口處的靜態(tài)壓力Pa.

在本研究中,與傳統(tǒng)的軸流式氣力輸送相比,由軟翅片和方形柱體支撐器引起的壓降被包含在氣力輸送系統(tǒng)的總壓降中.因此在將軟翅和方形柱體支撐器應(yīng)用于氣固兩相流之前,有必要確定由這些裝置產(chǎn)生的壓降和氣體速度的特征.圖8 顯示了單相流的壓降與空氣速度的關(guān)系.在所有條件下,隨著空氣速度的增加,壓降也增加.可以確認(rèn)的是,使用軟翅片時(shí)的壓降要高于正常運(yùn)輸?shù)膲航?

圖8 單相流的壓降與空氣速度的關(guān)系（僅空氣）Fig.8 Pressure drops of thesingle-phase flowversus the gas velocity（gas only）

在氣力輸送系統(tǒng)的研究中,將壓降最小時(shí)的空氣速度定義為最小輸送速度,這是氣力輸送系統(tǒng)中重要的研究對(duì)象.圖9、10 和11 分別顯示了顆粒質(zhì)量流速Gs=0.10 kg/s、0.25 kg/s 和0.47 kg/s 時(shí),正常（無(wú)翅片）、Fin260 和Fin260+各方形柱體支撐器運(yùn)輸試驗(yàn)中的壓降和空氣速度變化的關(guān)系.

圖9 各種方形柱體支撐器與軟翅組合壓降和空氣速度之間的關(guān)系（Gs= 0.10 kg/s）Fig.9 Pressure drops of various square cylinder models with non-uniform fins versus the gas velocities（Gs=0.10 kg/s）

圖10 各種方形柱體支撐器與軟翅組合壓降和空氣速度之間的關(guān)系（Gs= 0.25 kg/s）Fig.10 Pressure drops of various square cylinder models with non-uniform fins versus the gas velocities（Gs=0.25 kg/s）

圖11 各種方形柱體支撐器與軟翅組合壓降和空氣速度之間的關(guān)系（Gs= 0.47 kg/s）Fig.11 Pressure drops of various square cylinder models with non-uniform fins versus the gas velocities（Gs=0.47 kg/s）

從圖9、10 和11 顯示,各模型下壓降△P 隨著氣體速度的降低先減小,然后在達(dá)到最小壓降后增加.Fin260 和Fin260+各個(gè)方形柱體支撐器與正常運(yùn)輸（無(wú)軟翅）相比,在橫軸（空氣速度）的所有范圍內(nèi)壓降都會(huì)增加.而且空氣速度越大,正常輸送的壓降和安裝了翅片等的壓降之間的差異越大.

另一方面,當(dāng)關(guān)注最小傳輸速度時(shí),可以看出,在所有的顆粒質(zhì)量流速的情況下,有翅片模型運(yùn)輸比正常傳輸（無(wú)翅片）低約0.8～1.0 m/s.其中Fin260+10 mm 的方形柱體支撐器的組合有著最小的輸送速度.當(dāng)Gs=0.10 kg/s、0.25 kg/s 和0.47 kg/s 時(shí),使用Fin260+10 mm 的方形柱體支撐器的組合的最小輸送速度降低率分別為6.54%、6.25%和6.41%.在各種顆粒質(zhì)量流量的情況下,最小輸送速度降低率差異不大.

由于軟翅在空氣的吹動(dòng)下翅片發(fā)生振動(dòng),在顆粒進(jìn)料口附近產(chǎn)生較大垂直氣體速度分量的振蕩尾跡,通過(guò)安裝方形柱體支撐器,進(jìn)一步增強(qiáng)氣流的振蕩,氣體速度產(chǎn)生較高的垂直分量,測(cè)試的顆粒容易懸浮,從而避免了隨著氣體速度的降低顆粒沉積在管底.軟翅和方形柱體支撐器的組合表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性,其中Fin260+10 mm 的方形柱體支撐器的組合的效率最高.

為了評(píng)估氣力輸送系統(tǒng)的能量損失,通常用功率消耗系數(shù)E 來(lái)描述水平氣固流動(dòng)的功耗.我們使用壓降（△P）、氣體體積流量（Q）、固體質(zhì)量流量（Gs）和管道長(zhǎng)度或輸送距離（L）來(lái)計(jì)算該系數(shù),如式（2）所示

式（2）中:g 代表重力加速度.圖12、13 和14 分別顯示了在顆粒質(zhì)量流速Gs=0.10 kg/s、0.25 kg/s 和0.47 kg/s 的情況下,正常（無(wú)翅片）、Fin260 和Fin260+各方柱支撐器運(yùn)輸試驗(yàn)中的功率消耗系數(shù)和空氣速度變化.

圖12 方形柱體支撐器和軟翅組合和傳統(tǒng)運(yùn)輸之間功率消耗系數(shù)與空氣速度的關(guān)系（Gs= 0.10 kg/s）Fig.12 Comparison of power consumptions between the square circular cylinder model with Fin260 and conventional（non-model）model（Gs=0.10 kg/s）

圖13 方形柱體支撐器和軟翅組合和傳統(tǒng)運(yùn)輸之間功率消耗系數(shù)與空氣速度的關(guān)系（Gs= 0.25 kg/s）Fig.13 Comparison of power consumptions between the square circular cylinder model with Fin260 and conventional（non-model）model（Gs=0.25 kg/s）

圖14 方形柱體支撐器和軟翅組合和傳統(tǒng)運(yùn)輸之間功率消耗系數(shù)與空氣速度的關(guān)系（Gs= 0.47 kg/s）Fig.14 Comparison of power consumptions between the square circular cylinder model with Fin260 and conventional（non-model）model（Gs=0.47 kg/s）

從圖12、13 和14 中顯示,與正常運(yùn)輸相比,在較低的空氣速度范圍內(nèi),有翅片模型時(shí)功率消耗系數(shù)與正常運(yùn)輸時(shí)的功率消耗系數(shù)無(wú)明顯差異.但隨著空氣速度的增加,有翅片模型時(shí)功率系數(shù)大于正常運(yùn)輸時(shí)的功率消耗系數(shù).然而,隨著顆粒質(zhì)量流量的增加,不同模型之間功率消耗的差異變小.將Fin260 與Fin260+各個(gè)方形柱體支撐器進(jìn)行比較,隨著方形柱體直徑的增加,功率消耗系數(shù)值趨于增加.

2.2 氣力輸送系統(tǒng)速度的討論

2.2.1 X 方向上平均速度的分布 為了研究振蕩流對(duì)顆粒速度分布的影響,試驗(yàn)測(cè)量分析不同粒子質(zhì)量流量下的速度分布.試驗(yàn)是在各個(gè)模型的最小輸送速度下進(jìn)行的.圖15 和16 顯示了在粒子質(zhì)量流量Gs=0.25 kg/s,0.47 kg/s 下正常傳輸（無(wú)翅片）、Fin260 和Fin260+方形柱體支撐器時(shí)的粒子速度分布.縱軸是管的高度和內(nèi)徑（80 mm）相對(duì)于管底的無(wú)量綱數(shù),橫軸是粒子速度和各最小輸送速度的無(wú)量綱數(shù).

圖15 粒子速度分布（Gs=0.25 kg/s）Fig.15 Particle velocity distribution（Gs=0.25 kg/s）

圖15 和16 顯示,分別在管道頂部和底部附近觀察到最大和最小軸向顆粒速度.這是由于在最小輸送速度下,管道頂部的顆粒濃度較低,而管道底部的顆粒濃度較高.

從圖15 顯示,對(duì)比軟翅方形柱體支撐器組合模型和軟翅模型以及正常運(yùn)輸模型,在y/D=0 到0.4 時(shí)粒子速度值較大,這一結(jié)果表明,模型產(chǎn)生了更有效的振蕩流和更大的氣體速度水平分量,顆粒在管道底部附近容易加速,從而證明了模型在氣固流動(dòng)中的有效性.而y/D=0.4 到1.0 時(shí)粒子速度值較小,這也減小了粒子高速區(qū)域顆粒之間的碰撞.圖16 顯示,對(duì)比所有模型,y/D=0～0.6 時(shí),帶翅片的顆粒速度值較大,而y/D=0.6～1.0 時(shí)則較小,因?yàn)榕cGs=0.25 相比,顆粒質(zhì)量流速增加了約0.2 kg/s,管道底部的低粒子速度的區(qū)域更大.

圖16 粒子速度分布（Gs=0.47 kg/s）Fig.16 Particle velocity distribution（Gs=0.47 kg/s）

2.2.2 X 方向上速度波動(dòng)分布的比較 在本研究中,粒子速度波動(dòng)的強(qiáng)度,即粒子的局部均方速度波動(dòng),被用來(lái)評(píng)估模型對(duì)粒子波動(dòng)能量的影響.

圖17 和18 顯示了在顆粒質(zhì)量流速Gs=0.25 kg/s 和0.47 kg/s 的情況下,正常傳輸（無(wú)翅片）、Fin260和Fin260+方形柱體支撐器模型下的顆粒速度波動(dòng)在x 方向的分布.縱軸為高度和管內(nèi)徑（80mm）相對(duì)于管底的無(wú)量綱數(shù),橫軸為x 方向波動(dòng)強(qiáng)度和各最小輸送速度的無(wú)量綱數(shù).

圖17 X 方向的粒子速度變化分布（Gs=0.25 kg/s）Fig.17 Particle velocity variation distribution in X direction（Gs=0.25 kg/s）

圖18 X 方向的粒子速度變化分布（Gs=0.47 kg/s）Fig.18 Particle velocity variation distribution in X direction（Gs=0.47 kg/s）

從圖17 和18 可以確認(rèn),在所有條件下,X 方向的速度波動(dòng)強(qiáng)度從y/D=0.6～0.7 增加.比較正常運(yùn)輸和帶翅片的情況,可以看出,帶翅片的情況在所有范圍內(nèi)（y/D=0～1.0）都比無(wú)翅片的情況略高.這是由于翅片的振蕩使顆粒產(chǎn)生了較高的波動(dòng)能量,其中Fin260+10 mm 方形柱體支撐器組合的軸向速度波動(dòng)最大,這說(shuō)明了在這種模型下顆粒更容易被加速.說(shuō)明合理的軟翅和方形柱體支撐器的搭配更有利于粒子的運(yùn)輸,這也是Fin260+10 mm 方形柱體支撐器模型得到最低的壓降和最小的輸送速度的重要原因.

2.2.3 Y 方向上速度波動(dòng)分布的比較 圖19 和20 顯示了在顆粒質(zhì)量流速Gs=0.25 kg/s 和0.47 kg/s 的情況下,正常輸送（無(wú)翅片）、Fin260 和Fin260+各個(gè)方形柱體支撐器裝置在Y 方向上的顆粒速度波動(dòng)分布.縱軸是高度和管子內(nèi)徑（80 mm）相對(duì)于管子底部的無(wú)量綱數(shù),橫軸是Y 軸變化強(qiáng)度和各最小輸送速度的無(wú)量綱數(shù),顆粒的垂直速度波動(dòng)強(qiáng)度表示顆粒的懸浮能力.

圖19 Y 方向的粒子速度波動(dòng)分布（Gs=0.25kg/s）Fig.19 Particle velocity variation distribution in Y direction（Gs=0.25kg/s）

圖19 顯示,對(duì)比所有條件,所有范圍內(nèi)（y/D=0～1.0）裝有軟翅片的Y 方向波動(dòng)強(qiáng)度都比較大.這表明由模型引起的振蕩流產(chǎn)生了更高的垂直波動(dòng)速度,這有利于粒子的懸浮,對(duì)比裝有方形柱體支撐器模型下顆粒速度波動(dòng)強(qiáng)度,Fin260+10 mm 方形柱體支撐器組合的顆粒垂直速度波動(dòng)最大,該模型下顆粒更有利于懸浮.圖20 顯示,在所有范圍內(nèi),與Gs=0.25 kg/s 的情況相同,比較正常運(yùn)輸和安裝了翅片等的情況,裝有翅片的情況下的Y 方向波動(dòng)強(qiáng)度更高.還可以看出,管道上部（y/D＜0.7）的Y 方向波動(dòng)強(qiáng)度比Gs=0.25 kg/s 的情況要小.對(duì)于Gs=0.47 kg/s,顆粒在管道中濃度更高,這可能是管道頂部的Y 方向波動(dòng)強(qiáng)度略小的原因.

圖20 Y 方向的粒子速度波動(dòng)分布（Gs=0.47kg/s）Fig.20 Particle velocity variation distribution in Y direction（Gs=0.47kg/s）

基于上述結(jié)果,證明了安裝在進(jìn)氣口水平面上的軟翅能有效地引起振蕩流,方形柱體支撐器的存在有效地增加了氣流振蕩,使顆粒懸浮在氣固兩相流中.這在加速區(qū)域有效地加速和懸浮粒子,顆粒在尾流的振蕩中容易分散,因此可以防止管道的堵塞.

3 結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)的軟翅加上不同尺寸的方形柱體支撐器的組合, 將這些模型安裝在顆粒進(jìn)口前的水平面上可以有效地降低氣體輸送速度和功率消耗.通過(guò)對(duì)不同組合模型的氣固流動(dòng)進(jìn)行比較,獲得的主要結(jié)果如下:

（1）在低氣速范圍內(nèi),采用軟翅片和方形柱體支撐器組合使用可以進(jìn)一步降低壓降、最小運(yùn)輸速度、功耗.

（2）Fin+10mm 方形柱體支撐器模型在最小輸送速度附近產(chǎn)生最低的壓降.在Gs=0.10 kg/s、0.25 kg/s和0.47 kg/s 時(shí),使用該模型的最小輸送速度的降低率分別達(dá)到6.54%、6.25%和6.41%.

（3）在氣固兩相流中,對(duì)比各個(gè)模型下X 方向顆粒速度波動(dòng),在任何情況下,有軟翅的模型的顆粒速度波動(dòng)均大于正常運(yùn)輸?shù)念w粒速度波動(dòng),說(shuō)明振蕩流更利于加速顆粒水平方向上運(yùn)輸.

（4）無(wú)論采用何種組合模型,在管道的任何部位,帶有軟翅片模型的垂直速度波動(dòng)均大于正常運(yùn)輸?shù)拇怪彼俣炔▌?dòng),其中Fin+10 mm 方形柱體支撐器模型在Gs=0.47 kg/s 的情況下,表現(xiàn)出最高的垂直速度波動(dòng).

（5）在氣力輸送系統(tǒng)中,軟翅片和方形柱體支撐器模型的組合比單獨(dú)的翅片能更強(qiáng)的懸浮和加速顆粒,還可以防止顆粒在管道中的沉積,這樣就能以較低的速度進(jìn)行運(yùn)輸,并能防止被運(yùn)輸?shù)牟牧虾凸艿赖哪p.