小麥氣力輸送流場顆粒流化特性數(shù)值模擬

夏朝陽，李永祥，徐雪萌，張永宇，姜棚仁，王龍，董曉淦

小麥氣力輸送流場顆粒流化特性數(shù)值模擬

夏朝陽1，李永祥1，徐雪萌1，張永宇1，姜棚仁1，王龍1，董曉淦2

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001； 2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 能源與智能工程學(xué)院，鄭州 450046）

探索倉泵式氣力輸送小麥顆粒時(shí)不同輸送壓力下罐體及引出管內(nèi)顆粒的流化特性，從而得出最佳操作壓力。利用Solidworks建立簡易的等比例發(fā)送裝置三維模型，采用模擬仿真軟件Fluent對0.25、0.3、0.35 MPa等3種不同輸送壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用CFD–Post進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。當(dāng)進(jìn)氣口壓力為0.35 MPa時(shí)物料最先輸送完畢，用時(shí)為10 s。整體發(fā)料過程從引出管入口至出口處三者壓力分別降低了97.1%、96.8%、98.1%，其中當(dāng)進(jìn)氣口壓力為0.3 MPa時(shí)，壓力降低最小，能量利用率最高。輸送壓力越大輸送速度越快，其壓降也最大?？紤]經(jīng)濟(jì)性與高效性可得，最佳進(jìn)氣口壓力為0.3 MPa。

小麥顆粒；流場；氣力輸送；流化特性；數(shù)值模擬

氣力輸送在現(xiàn)代工業(yè)中普遍被應(yīng)用于化工、冶金、食品等領(lǐng)域，因其具備可布置性強(qiáng)、操作簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到行業(yè)的青睞。氣力輸送是指在密閉管道內(nèi)利用空氣的流動將粉體或顆粒狀物料輸送到某一指定點(diǎn)的輸送方式，其中空氣的流動主要靠輸送管道兩端的壓差來實(shí)現(xiàn)，空氣的動能直接轉(zhuǎn)化為物料流動所需的能量[1-3]。一般情況下，氣力輸送分為正壓式和負(fù)壓式2種輸送方式，俗稱壓送式和吸送式，其中正壓式由于其輸送距離長、壓力調(diào)節(jié)范圍廣、系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在行業(yè)中應(yīng)用較多[4]。在正壓式氣力輸送中，通常有泵送式及吹送式2種方法，而泵送式由于其輸送壓力高、輸送量大、穩(wěn)定性強(qiáng)及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用[5]。在倉泵式氣力輸送過程中，不同的輸送壓力對顆粒的流化具有不同的效果，探索最佳的輸送壓力從而達(dá)到節(jié)能高效的目的，對工程實(shí)踐具有重大指導(dǎo)意義。

采用實(shí)驗(yàn)方法能較好地還原發(fā)料過程，最真實(shí)可靠地反映不同操作工況下的顆粒流化特性[6-8]。由于倉泵式氣力輸送壓力較大，采用實(shí)驗(yàn)方法較難觀測到泵體及引出管內(nèi)部的顆粒流動情況，各項(xiàng)數(shù)據(jù)較難測量，如引出管入口及出口處的氣速、壓強(qiáng)、顆粒速度等。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，利用數(shù)值模擬方法能較好地模擬實(shí)驗(yàn)過程，從而為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)[9-11]。

本文選取工程實(shí)踐中常用的3種輸送壓力進(jìn)行模擬仿真，對比3種工況下相同時(shí)刻罐體內(nèi)部顆粒的體積分?jǐn)?shù)，引出管入口及出口處的壓力、氣速、顆粒速度等，選取出最佳操作工況。為倉泵式氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)打下理論基礎(chǔ)。

1 氣力輸送系統(tǒng)及模型介紹

氣力輸送系統(tǒng)的工作原理是利用輸送管道兩端的壓差將物料輸送到某一指定點(diǎn)的輸送方式，整套系統(tǒng)一共包含空壓機(jī)、儲氣罐、冷凍干燥機(jī)、倉泵罐體、輸送管道、PLC控制柜幾大部分，各部分以串聯(lián)方式連接，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。空壓機(jī)將壓縮空氣不斷泵入儲氣罐，使儲氣罐內(nèi)的壓力逐漸增大，空壓機(jī)及儲氣罐均有泄壓裝置。當(dāng)儲氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到空壓機(jī)的設(shè)定壓力時(shí)，空壓機(jī)將會暫停工作?？諝饨?jīng)壓縮后溫度升高、濕度增大，因此儲氣罐連接冷凍干燥機(jī)對壓縮氣體進(jìn)行降溫干燥處理，然后冷凍干燥機(jī)出氣口與倉泵底部進(jìn)氣口相連使高壓氣體進(jìn)入倉泵內(nèi)部作為輸送介質(zhì)進(jìn)行工作。

小麥顆粒從倉泵頂部的料斗進(jìn)入倉泵罐體內(nèi)部，當(dāng)物料堆積到一定位置時(shí)觸發(fā)罐體內(nèi)部料位計(jì)開關(guān)，使料斗與罐體之間的進(jìn)料閥門關(guān)閉從而停止進(jìn)料。倉泵進(jìn)氣口與罐體流化盤有一定的距離從而有利于高壓氣體的擴(kuò)散，使罐體內(nèi)部的小麥顆粒充分流化，此時(shí)打開出料閥門使高壓空氣攜帶著物料沿輸送管道向指定位置移動，直到發(fā)料完畢。當(dāng)發(fā)料過程結(jié)束時(shí)，關(guān)閉出料閥及進(jìn)氣閥，打開進(jìn)料閥重新填充物料，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)間歇式發(fā)料。

圖1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選取0.25、0.3、0.35 MPa等3種不同的輸送壓力進(jìn)行仿真模擬，在罐體內(nèi)部預(yù)存一定量的顆粒，模擬倉泵一次發(fā)料過程。倉泵簡易模型參考山東引持環(huán)保設(shè)備有限公司生產(chǎn)的上引沸騰式倉泵，其產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1 倉泵參數(shù)

Tab.1 Parameters of warehouse pump

如圖2所示為倉泵簡易圖，其中泵體直徑為800 mm，進(jìn)氣口內(nèi)徑為20 mm，引出管內(nèi)徑為100 mm。高壓氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入倉泵罐體內(nèi)部，然后經(jīng)流化盤后氣體擴(kuò)散對倉內(nèi)小麥顆粒進(jìn)行流化，流化處理后的小麥顆粒經(jīng)過引出管進(jìn)入輸送管道，從而沿輸送管道達(dá)到指定位置。

1.進(jìn)氣口；2.流化盤；3.倉泵壁面；4.引出管入口； 5.引出管；6.引出管出口。

2 模型網(wǎng)格劃分及仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

將三維模型導(dǎo)入DesignModeler軟件，對三維模型填充流體域，之后將模型外殼抑制，只保留流體域部分進(jìn)行計(jì)算。將流體域?qū)隝CEM–CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義入口、出口及壁面，整體網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于流化孔尺寸較小，對其進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，共產(chǎn)生了2 445 385個(gè)單元，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 仿真參數(shù)

2.2.1 邊界條件及數(shù)學(xué)模型

在仿真軟件內(nèi)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)采用瞬態(tài)模擬，使用歐拉多相流及K–epsilon(2eqn)模型，其余參數(shù)及邊界條件的設(shè)置如表2所示。

1）湍流模型。在氣固兩相流動過程中，流場內(nèi)部兩相運(yùn)動較為復(fù)雜，因此需要使用較為精確的湍流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)–模型計(jì)算精度高，適用范圍廣泛，是氣固多相流領(lǐng)域使用最廣泛的模型。標(biāo)準(zhǔn)–模型是在關(guān)于湍動能的方程的基礎(chǔ)之上，再引入一個(gè)關(guān)于耗散率的方程，2個(gè)方程組合便形成了標(biāo)準(zhǔn)–方程模型[12]。在標(biāo)準(zhǔn)–方程中，湍動能和耗散率為2個(gè)未知量，相應(yīng)的輸運(yùn)方程見式（1）、式（2）。

表2 仿真軟件參數(shù)

Tab.2 Simulation software parameters

各個(gè)分量所代表的意義及表達(dá)式如表3所示。

2）Gidaspow曳力模型。在氣固兩相流動中，氣體對固相顆粒的作用力是一種主要的力，對氣固兩相間的相互作用及能量傳遞起到非常重要的影響。在某些層面上曳力模型的選擇影響計(jì)算結(jié)果的精確度[13-14]。隨著研究的不斷推進(jìn)，越來越多的科學(xué)家通過各種方式不斷建立起適合不同場景下的曳力模型。Gidaspow曳力模型是Wen–Yu曳力模型[15]和Ergun曳力模型[16]的結(jié)合體，Wen–Yu曳力模型主要適用于次相的體積分?jǐn)?shù)低于主相的體積分?jǐn)?shù)的稀相流動情況，在固相濃度較高的工況下，其計(jì)算誤差較大。小麥顆粒的堆積密度為0.52，孔隙率為0.48，在孔隙率小于0.8的情況下，Gidaspow曳力模型選用Ergun曳力模型作為計(jì)算曳力系數(shù)，如式（3）所示。

表3 各分量代表意義

Tab.3 Meaning represented by each component

2.2.2 小麥顆粒物理參數(shù)

在Fluent軟件內(nèi)設(shè)置固相顆粒的物理性質(zhì)參數(shù)，王振華[17]利用游標(biāo)卡尺直接測量小麥顆粒的三軸尺寸，測量總數(shù)為200個(gè)，并取其平均值代入公式求得小麥顆粒的當(dāng)量直徑；利用密度法測量小麥密度，并將小麥裝進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)正方形容器中測得其質(zhì)量及體積，然后求得小麥顆粒堆積密度。求得的小麥各項(xiàng)物理性質(zhì)參數(shù)如表4所示。

表4 小麥物理性質(zhì)參數(shù)

Tab.4 Physical property parameters of wheat

2.2.3 氣相物理性質(zhì)參數(shù)

選取常溫常壓下的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，查閱資料可得標(biāo)準(zhǔn)空氣密度各項(xiàng)物理性質(zhì)參數(shù)如表5所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)空氣物理性質(zhì)參數(shù)

Tab.5 Physical property parameters of standard air

3 結(jié)果分析

為探索不同輸送壓力下小麥顆粒的流化特性，將同等時(shí)刻下顆粒體積分?jǐn)?shù)、氣固兩相靜壓、氣固兩相速度進(jìn)行對比，分析倉泵內(nèi)部的顆粒湍流水平，得出發(fā)料效率高、速度快、平穩(wěn)可靠的操作工況。由仿真結(jié)果可知，容積為0.3 m3的小麥顆粒16 s時(shí)可輸送完畢，因此每隔2 s選取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對比分析。選擇小麥顆粒體積分?jǐn)?shù)、氣固兩相靜壓、氣固兩相速度為研究對象，對比分析小麥顆粒在同等時(shí)刻不同工況下流化特性。將Fluent仿真軟件每隔2 s保存的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入CFD–Post中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。以–軸平面為基準(zhǔn)面建立觀測面，從而獲取顆粒體積分?jǐn)?shù)云圖。在引出管入口平面中心處建立觀測點(diǎn)，測量入口處的壓力、氣速、顆粒速度；在距離引出管出口100 mm處建立觀測點(diǎn)，測量出口處的壓力、氣速、顆粒速度，將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存到Excel表格，打開Origin軟件，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制折線圖。

3.1 顆粒體積分?jǐn)?shù)

每隔2 s獲取發(fā)料過程中的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖，對比分析3種輸送工況下同等時(shí)刻的云圖，色標(biāo)軸代表顆粒體積分?jǐn)?shù)。由圖4—6可知，在氣力輸送的最后階段，通常需要消耗大量的時(shí)間才能將罐體內(nèi)部的物料完全輸送完畢。為了減少能耗，允許倉泵罐體內(nèi)部剩余些許物料，以0.25 MPa輸送壓力下16 s時(shí)倉泵內(nèi)部剩余的物料比例為結(jié)束點(diǎn)。由圖4—6可知，隨著時(shí)間的增長顆粒持續(xù)被輸送出去，3種輸送工況下的顆粒體積分?jǐn)?shù)均逐漸減小。進(jìn)氣口壓力為0.35 MPa時(shí)用時(shí)10 s最先輸送完畢，輸送壓力為0.3 MPa時(shí)用時(shí)14 s輸送完畢。在3種輸送壓力下，引出管內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布均不均勻，表現(xiàn)為在彎管處顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，在直管部分較小。主要是由于顆粒在彎管部分需要通過不斷地撞擊管壁改變運(yùn)動方向。在此過程中，顆粒與管壁進(jìn)行碰撞及顆粒間的相互碰撞消耗了一大部分的動能，造成速度降低從而在彎管部分形成顆粒聚集，而在直管部分由于顆粒無須改變運(yùn)動方向故體積分?jǐn)?shù)分布均勻。

圖4 壓力為0.25 MPa時(shí)不同時(shí)刻顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖5 壓力為0.3 MPa時(shí)不同時(shí)刻顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 壓力為0.35 MPa時(shí)不同時(shí)刻顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖

3.2 氣固兩相靜壓

引出管入口處的壓力變化如圖7所示，在引出管入口平面中心處建立觀測點(diǎn)，在測量引出管入口兩相靜壓的同時(shí)也能反映出罐體內(nèi)部的壓力。由圖7可知，在9 s之前，0.35 MPa輸送工況下引出管入口處的壓力高于輸送工況為0.25 MPa及0.3 MPa的。這是由于在此之前，其罐內(nèi)顆粒剩余較多，高壓氣體并未順暢地直接從引出管流出，而要攜帶大量顆粒進(jìn)行發(fā)料，且由于0.35 MPa本身輸送壓力就高于其他兩者，故在9 s之前其輸送壓力高。9 s之后，由圖6可知，相同時(shí)刻下其罐內(nèi)物料顯著少于前兩者，顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，高壓氣體從引出管逸出較快，攜帶顆粒變少，故其引出管入口處兩相靜壓開始小于前兩者。

圖7 引出管入口壓力

圖8為引出管出口處壓力變化，選取測量點(diǎn)位于距離出口端面100 mm處的平面中心。由圖8可知，在11 s之前，0.35 MPa操作壓力下，其出口處的壓力高于其他兩者，主要是由于其引出管內(nèi)還有物料，故出口處的壓力還較高。11 s之后，在0.25 MPa及0.3 MPa輸送壓力下的罐體和引出管內(nèi)部還有較多物料，0.35 MPa輸送壓力下的罐體及引出管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于上述兩者，高壓氣體流出較快，故壓力從11 s之后就小于其余兩者。其中0.25 MPa與0.3 MPa相比，這2種輸送工況在16 s時(shí)，因?yàn)楣摅w及引出管內(nèi)顆粒還有些許剩余，顆粒體積分?jǐn)?shù)分布相差不大。所以在0.3 MPa輸送工況下的引出管出口處壓力高于0.25 MPa輸送工況下的。

圖8 引出管出口壓力

由圖7、圖8數(shù)據(jù)可知，從引出管入口至引出管出口壓降較大，而且無論是引出管入口還是出口處的壓力都呈現(xiàn)出整體下降趨勢。進(jìn)氣口內(nèi)徑小于引出管內(nèi)徑，高壓氣體擴(kuò)散較快，其次隨著發(fā)料的進(jìn)行，罐體內(nèi)部顆粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，導(dǎo)致進(jìn)入罐體內(nèi)部的高壓氣體能從引出管順暢流出，導(dǎo)致引出管入口處壓力遠(yuǎn)大于出口處壓力，且壓力整體都呈現(xiàn)出下降的趨勢。

將3種輸送工況下對應(yīng)時(shí)刻的壓力代入式（6）。

可得輸送壓力為0.25、0.3、0.35 MPa時(shí)從引出管入口處至出口處，壓力分別降低了97.1%、96.8%、98.1%，在0.3 MPa輸送壓力下壓力降低最小。

3.3 氣固兩相速度

分析引出管入口及出口處的氣固兩相速度變化情況，通過不同時(shí)刻的引出管入口處的顆粒速度能夠預(yù)測倉泵罐體內(nèi)部顆粒的湍流水平，從而能得到同時(shí)兼顧穩(wěn)定性及高效性的輸送工況。

3.3.1 氣相速度

圖9為引出管入口處氣相速度的變化情況。由圖9中數(shù)據(jù)可知，0.35 MPa的輸送工況下，10 s之前氣速在合理范圍內(nèi)波動，而在10 s之后，由于其倉泵罐體內(nèi)部物料即將輸送完畢，高壓氣體擴(kuò)散較快，故出口處氣速逐漸增大。在0.25 MPa及0.3 MPa的輸送工況下，14 s之后引出管入口氣速才有顯著增大的趨勢，主要是此兩者輸送壓力相對較小從而發(fā)料過程較慢，故導(dǎo)致入口處氣速較小。

圖9 引出管入口氣速

圖10為引出管出口處氣相速度變化情況，在0.35 MPa輸送工況下，10 s之前出口處氣速在緩慢增加，10 s之后由于顆粒物料即將輸送完畢，并且高壓氣體經(jīng)引出管逐漸膨脹，導(dǎo)致出口處氣速增大較快。在0.3 MPa輸送工況下，用時(shí)14 s時(shí)物料被輸送完畢，在此之前氣速緩慢波動，而14 s之后氣速增大的趨勢明顯。相同時(shí)刻下，引出管出口處的氣速小于入口處的，氣固動能完成了相互的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致入口處的氣相速度高于出口處的。

圖10 引出管出口氣速

3.3.2 固相速度

圖11為不同輸送工況下引出管入口處顆粒速度變化情況。由圖11可知，在0.35 MPa輸送工況下，在12 s之前顆粒速度先經(jīng)歷一個(gè)先微微上升后下降的趨勢；在12 s之后由于物料即將輸送完畢，倉內(nèi)剩余顆粒較少，高壓氣體在引出管處膨脹較快，進(jìn)而將氣體的動能轉(zhuǎn)化為顆粒的動能，導(dǎo)致在0.35 MPa輸送工況下最后時(shí)刻引出管入口處顆粒速度階躍式增大。由于顆粒速度過高，導(dǎo)致顆粒與管壁之間及顆粒之間碰撞較為激烈，動能損耗較大，從而造成最后時(shí)刻引出管出口處的顆粒速度小于入口處。

圖11 引出管入口顆粒速度

圖12 引出管出口顆粒速度

由圖11、圖12可知，在0.25 MPa及0.3 MPa的輸送工況下，在相同的時(shí)刻，引出管出口處的顆粒速度大于入口處的。主要是由于高壓氣體攜帶物料顆粒沿引出管運(yùn)動，雖然經(jīng)歷2處彎管及顆粒間的碰撞損耗了一部分動能，但是氣速始終高于顆粒速度，故顆粒一直處于加速的過程中，從而出口處顆粒的速度高于入口處顆粒的速度。

4 結(jié)語

本文對3種不同輸送工況下的倉泵式氣力輸送小麥顆粒進(jìn)行了仿真模擬，分析比較了相同時(shí)刻下倉泵罐體及引出管內(nèi)顆粒的體積分?jǐn)?shù)、引出管入口及出口處的氣固兩相速度，得出如下結(jié)論。

1）在其他條件相同時(shí)，設(shè)置進(jìn)氣口壓力分別為0.35、0.3、0.25 MPa，當(dāng)進(jìn)氣口壓力為0.35 MPa時(shí)，物料最先被發(fā)料完畢，表明進(jìn)氣口壓力越大發(fā)料越快。

2）隨著時(shí)間的增長，由于罐體內(nèi)部物料逐漸減少，引出管入口及出口處的氣固兩相靜壓整體呈現(xiàn)出下降趨勢，且當(dāng)輸送壓力過高或過低時(shí)，都有可能造成壓力損失較大，增加生產(chǎn)成本造成浪費(fèi)。其中進(jìn)氣口壓力為0.3 MPa時(shí)，壓力損失最小。

3）相同時(shí)刻下，引出管入口處的氣相速度高于出口處的氣相速度，而引出管入口處的顆粒速度小于出口處的顆粒速度，氣固兩相動能完成了相互轉(zhuǎn)化。

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Numerical Simulation of Particle Fluidization Characteristics of Wheat under Pneumatic Conveying Flow Field

XIA Chao-yang1, LI Yong-xiang1, XU Xue-meng1, ZHANG Yong-yu1, JIANG Peng-ren1, WANG Long1, DONG Xiao-gan2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China; 2. School of Energy and Intelligent Engineering, Henan University of Animal Husbandry and Economy, Zhengzhou 450046, China)

The work aims to explore the fluidization characteristics of wheat particles in tank and extraction pipe under different pressure during pneumatic conveying by warehouse pump, so as to obtain the optimal operating pressure. Solidworks was used to establish a simple three-dimensional model of the equal proportion transmission device. The simulation software Fluent was used to carry out numerical simulation of three different conveying pressure of 0.25, 0.3 and 0.35 MPa, and the data were post-processed by CFD-POST. When the air inlet pressure was 0.35 MPa, the material was transported firstly, which took 10 s. The pressure of the three parts from the inlet to the outlet of the extraction pipe was reduced by 97.1%, 96.8% and 98.1%, respectively. When the inlet pressure was 0.3 MPa, the pressure reduction was the smallest and the energy utilization was the highest. The higher the conveying pressure, the faster the conveying speed and the more the pressure drop. Considering economy and efficiency, the optimal inlet pressure is 0.3 MPa.

wheat particle; flow field; pneumatic conveying; fluidization characteristic; numerical simulation

TS211.3

A

1001-3563(2023)13-0188-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.023

2022?06?28

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0400704）

夏朝陽（1997—），男，碩士生，主攻糧食機(jī)械。

張永宇（1970—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧Z油食品包裝工藝與裝備。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋