散料的流动性及其在弯管中气力输送的研究

【摘要】： 本文研究了散料的流动性及其在弯管中气力输送气固两相流这一散料 气力输送领域里的重点和难点问题。 Jenike共轴理论正广泛应用在散料的存储和运输设备的设计和计算之 中，但该理论未得到试验验证。本文有针对性地研究了散料的物性参数以 及内摩擦角、壁面摩擦角、安息角，并用示踪法进行了颗粒在筒仓内的流 线和等时线的流型试验。研究了散料在锥体料斗内流动时流量与出口直径 的关系、流量与散料高度的关系。着重对Jenike共轴理论进行了试验验证， 试验结果表明，有些散料与Jenike共轴理论符合较好，而有些散料与之偏 差较大。指出了Jenike共轴理论具有某些局限性。此外，试验结果还表明 锥体料斗出口直径的大小对散料相对速度分布没有明显的影响，壁面摩擦 角对散料的最大主应变率方向的影响要大于内摩擦角对其的影响。 散料气力输送属两相流，与单相流相比，问题要复杂得多。本文分别 从单颗粒在无界流场中的绕流、颗粒的速度松弛及气固两相流三方面入手 对这一问题进行了试验研究和数值模拟。 在研究气固两相流动的非平衡特性时，运用了松弛的概念。给出了单 颗粒和颗粒群速度松弛的物理意义，并就单颗粒和颗粒群受力情况进行了 系统全面的分析。讨论了单颗粒阻力系数与颗粒群阻力系数的关系。分析 了球形颗粒重力沉降以及球形颗粒在任意流动中的运动情况。 文中应用流体力学理论，以原始变量的N—S方程为基本方程，对其 进行高斯滤波，建立了球形颗粒在气流中的控制方程。在空间上采用标准 的三阶精度的Galerkin有限元离散，在时间上采用有限差分法的离散方法， 并结合湍流大涡模拟对球形颗粒在气流中的绕流进行了数值模拟。先以雷 诺数Re=400进行数值计算，得到的颗粒的升力系数C_f、平均阻力系数C_D 及斯特劳哈数St与实验数据都很吻合，验证了程序的可靠性。在计算不同 Re数下球形颗粒阻力系数时，得到的计算结果较己有文献的结果更接近实 验值，而且扩大了己有的计算范围。在对Re=8650和10900进行的数值模 拟中，得到的颗粒的升力系数C_f与Dhodapkar的实验数据吻合很好，并得 到了颗粒周围的速度场和压强场变化过程的重要信息。这些对颗粒在流场 中的受力分析和运动分析具有重要的指导意义。 大连理工大学博士学位论文 一 气力输送系统中，对弯管段的研究是一个难点和重点。本文在进行气 力输送弯管段的数值模拟中，结合气固两相流连续介质理论和运动学理论， 充分考虑了界面的质量、动量、能量湍流输运，从两相湍流瞬时局部场方 程入手，对其进行空间平均，得到了气固两相湍流宏观平均变量的场方程。 分析了附加应力和湍流应力在气固两相流中的作用，建立了管道气固两相 流动两流体模型。在弯管气固两相流数值模拟中，针对水泥在圆弧弯管中 的气力输送气固两相流动三种工况，应用有限元方法进行空间离散，采用 三步时间分裂算法并结合大涡模拟亚格子湍流应力模型进行数值计算。得“ 到了颗粒在弯管中的浓度分布，以及速度矢量场、压强场的变化过程的重 要信息。为了考证数值模拟结果的正确性，对水泥在圆弧弯管中的气力输 送气固两相流动采用了等速取样和等截面法进行了三种工况的试验研究。 试验结果表明，竖直上升弯管出口颗粒浓度在弯管外侧脊线附近颗粒浓度 特别高，其余部分相对比较均匀且浓度较低。竖直上升弯管出口截面浓度 分布的不均匀性对其后竖直上升段内浓度分布的影响距离较长。计算结果 与试验结果相吻合，说明本文的数学模型是正确的，数值计算是成功的， 为散料在弯管中的气力输送气固两相流动的数值计算和工程实际应用提供 了依据。