稀相气力输送弯管磨损的数值模拟及设计改进

2015-06-24董盛李维佳

科技创新与应用 2015年19期

董盛+++李维佳

摘要：从设备使用中遇到的实际问题出发，分析研究了稀相气力输送系统中弯头磨损机理。通过Fluent数值模拟的方法，采用Euler-Euler两相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE压力速度藕合算法进一步探讨了弯头形状参数对磨损的影响。初步揭示了短半径弯头的内部流动特性及抗磨损机理。并通过对多组模型的数值模拟，提出了从耐磨角度考虑，短半径弯管在其他条件不变的前提下弯管R/D值有最佳值。在了解并通过上述数值模拟验证了磨损机理的基础上，给出了几种实用的抗磨损弯头结构。

关键词：气力输送；磨损；数值模拟；气固两相流；短半径弯头

气力输送是利用通过加速空气的流动来带动颗粒或粉体状物料在密封的管道中进行连续输送的技术。气力输送装置的结构简单，操作方便广泛应用于电力、化工、食品生产、机械制造等多个行业。气力输送是典型的气固两相流，针对物料在运输过程中其流动状态复杂性，文章从气固两相流理论出发，结合数值模拟分析阐述了造成弯道磨损的主要原因，针对弯管的磨损进行了探讨。

由于管道布置需要，气力输送管路主要由弯管，直管，变径管组成。其中通常又以弯管对气固流的压力降、管壁磨蚀、物料破碎的影响最大，磨损部位一旦破损，破损处的泄料不仅会破坏整个系统的气密性，影响装置的正常工作，而且会污染环境。

弯管在管路设计、运行操作中都备受关注。因此，必须了解弯管内的气固流动规律及其磨损原因，合理进行参数的选择、结构的设计，使装置的性能达到最佳状态。

1 实际案例介绍

图1 输粉弯管长期使用后磨穿照片

如图1所示为某公司生产的粉末传输设备，其粉末传输系统中弯管R/D值约为4，气固两相流速约10m/s，粉末颗粒直径为10-20μm。弯管在长时间使用后转角外延处磨损严重，有个别弯管甚至已经磨穿。造成粉末外溢，严重影响了系统运转，并且造成了生产工厂环境污染。因此，有必要针对这一现象产生的原因做理论分析，同时给出更可行的方法指导管路设计。

2 弯管磨损机理分析

由于固体颗粒物的存在，气力输送中管壁磨损不可避免。弯管内磨损是一个复杂的现象，对其磨损机理的假设如下：

（1）弯管处的冲击磨损。管道中高速运动着的物体，在突然发生变向的弯管中，由于惯性的作用会使其继续朝着原来的运动方向运动，部分颗粒会与管壁发生碰撞，这是管壁破损的主要原因之一。碰撞过程中会造成传输颗粒的动能损失，并可能造成传输颗粒的破裂以及管壁的磨损。

（2）除冲击磨损以外，弯管内还存在摩擦磨损。物料颗粒在经过弯道时，运动状态发生改变，此过程中一部分速度较低或经碰撞减速后的物料会沿着弯管内壁与弯道内壁发生滚动摩擦。由于离心力作用，物料颗粒对管壁的正压力增大，产生的摩擦力也随之增加。

（3）冲蚀磨损。由于颗粒冲击弯管表面而使得管壁材质产生的局部变形，表面材质甚至被切割剥离而形成的磨损。

（4）由于颗粒受到Magnus升力产生高速旋转，高速旋转的颗粒与管壁接触时也会对管壁造成额外的磨损。

另外，这些磨损并非独立存在的，它们在弯管中会相互影响，相互作用，并对弯管产生综合性的效果。

通常来说，在这些作用中冲击磨损所造成的影响最大，其次是摩擦磨损。因此文章主要针对弯道处的冲击磨损及摩擦磨损进行研究。

影响弯管磨损和压力降的主要因素有气固两相流流速、固相体积分数、管道几何形状，尺寸及材质和粉体特性等。然而对于工程师的管道设计来说，其他因素通常都以及成为设计输入条件，最方便控制和改变的可能就是管道几何形状及尺寸及材质这个因素。在管道几何形状及尺寸中，弯管曲率半径与管道直径之比（R/D）对磨损的影响很大。早期的管路设计时，人们通常认为颗粒在弯管中会沿外侧内壁流动，因此认为曲率半径越大的弯管收到的压力越小，相应的磨损和压力损失也越小。因此，气力输送系统最初使用的都是长半径弯管其R/D值通常达到8～24。而后来，通过Mason弯管试验以及实际的工程实践验证发现，物料流经弯管时，会在内壁外侧和内侧弹跳。每个磨损点都说明物料与管壁之间存在强烈的冲击。事实上，长半径弯管曲率半径越大，撞击反而会越严重，冲击碰撞点也越多，磨损非但没有减轻反而更加严重。为了能使物料尽可能少的在弯管内碰撞并降低物料对管壁的磨损，短半径弯管（R/D值为2～3）应运而生。实际使用中，这种弯头会在弯头转弯处形成一个物料堆积的密集区域，可以起到保护管壁外侧内壁的作用。那么短半径弯管内是如何形成堆积的密集区域的？它的气固两相流的流动特性是如何的？对于抗磨损而言，R/D值的取值如何选取，是可在区间任意选取还是存在最佳值？这些问题的答案对我们优化设计是很有帮助的，有必要对其深入研究。

图2 冲击磨损示意图

3 弯管数值模拟

为了能够研究弯管（特别是短半径弯管）内的流动状态，并验证磨损机理，考虑通过数值模拟分析，计算弯管内壁的受力情况以及弯管内气固两相流的速度变化情况，从而勾勒出弯管磨损的情况。

运用了Fluent软件，选取R/D=2，3，4，5共4种不同R/D值弯管作为研究对象，采用Euler-Euler两相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE压力速度藕合计算方法，对弯管内的稀相气力输送过程进行数值模拟，目的是揭示弯管道分流处气固两相的压力分布、速度、湍流情况等流场信息，为弯管的设计提供理论依据。

为了尽可能与案例接近，弯管几何模型设置如下：

建立R/ D=2，3，4，5的水平转垂直的90°弯管模型各一个，管内径统一为30mm，水平和垂直端各增加20mm长直管部分。

气固两相流参数及边界条件设定如下：

入口条件：

Velocity inlet 速度入口；气相介质：空气；密度ρg.：1.225 kg /m3；入口气速Vg：10m/s；粘度：1.7894×10-5kg/m-s；固相介质：碳粉；物料粒径dp：10μm；密度ρs：2000kg/m3；入口物料速度Vs：8.8m/s；粘度：1.72×10-5kg/m-s；入口物料体积分数：10%。endprint

出口条件： outflow充分发展出口。

环境条件：

环境温度：288.16K；大气压力：101325Pa；重力加速度： 9.81m/s2

相间阻力设定为schiller-naumann，湍流强度为10%。

4 模拟结果与讨论

通过在Fluent中反复计算迭代保证算法收敛，得出了以下结果。

4.1 速度对比

R/D=2，3，4，5时，气固混合物速度矢量分布图分别如下：

图3 各R/D值对应气固两相流速度矢量分布图

R/D=2，3，4，5时，气固两相流出口端面速度分布云图如下：

图4 各R/D值对应气固两相流出口速度分布云图

参考图3并结合图4可以得出以下结论：

（1）随R/D值不同，弯管内速度矢量分布的总体趋势相近，即都是内圆弧处矢量速度较大，外圆弧处矢量速度较小。

（2）内侧近壁区速度有超过进口速度的局部升速现象。外侧近壁区速度有降低现象。其中R/D=3弯管速度最低。出现外侧近壁区颗粒速度低是气固两相流转向拥堵造成的。这里便是短半径弯管存在物料堆积密集区。在这个区域内颗粒会有所减缓，甚至停留，起到保护管壁不受后续颗粒撞击的作用。有利于减少磨损。R/D=2也有物料堆积区，但其区域面积明显小于R/D=3弯管。另外，在靠近出口处的外侧近壁区有类似R/D=4，5弯管的速度上升现象。

（3）由图4出口端面的速度分布可以看出，R/D值为3的出口速度分布云图最均匀，管中央速度较高，可以清晰的看到位于外侧近壁区的低速区域。而R/D=4，5或较小R/D=2的出口速度分布都相对更不均匀，外侧近壁区速度相对其他区域的速度要高的多。在近壁区域的气固两相流速度升高，显然是会加剧管壁磨损的。

4.2 压力比较

由图5结合图6可以得出：

（1）气固两相流在弯管中最高压强压强集中在外圆弧最外沿接近理论撞击区域。这与假设的磨损机理是相符的。固体颗粒在弯管内运动的方向急剧改变，此时颗粒群在弯管中转弯发生拥堵，减速、再加速、转向，造成能量损失很大。这造成了外壁压强的增大，也是外壁磨损的主要原因之一。

（2）还可以分析出，随着R / D的增加，受压区域的最高压强逐渐减小。但弯管受压力总面积随之逐步增大。可以很容易看出，高压强区面积最小而集中，且最大压强相对较小的是R/D=3弯管。因此，如果我们从控制磨损的角度考虑，可认为其他条件相同的情况下，R/D=3弯管磨损更容易控制一些。另外，若要在磨损区域增加耐磨管壁材料或者可拆卸零件，受压区域控制在较小范围内也是有利于设计优化和改造的。

（3）特别的，R/D=4高压强区域与案例中磨损实际发生的区域基本一致。这一定程度上也证明了数值模拟以及磨损机理假设的准确性。

为了能减少磨损，可以考虑将原设计的长半径弯管优化为R/D=3的短半径弯管。

5 其他抗磨损弯头结构

上述弯管尺寸优化可以在不改变结果的前提下减小弯管磨损，但如果希望进一步提升弯管的寿命，还可以在上述研究的基础上，采用以下几种常用的抗磨损弯头结构改进。

图7 常用抗磨弯头结构

（a）易磨损区域加厚弯头。在最易磨损区域加厚或者改用其他耐磨材料。可以增加弯管寿命。

（b）可拆卸型弯管。即使加厚弯管磨损点处的材料厚度，还是会不可避免地被磨损，为了不至于更换整个弯管，可以在磨损点处加装一个盖状的可拆卸零件。可定期更换此零件。

（c）球形弯头以及（d）T型弯头。可以使物料在到达弯道部位时自动形成一层保护膜，将常规气力输送弯管中物料对弯道内壁的冲击磨损转化为物料自身之间的滚动摩擦，以达到降低管道磨损的效果。

6 结束语

通过上述研究，可以得出以下结论：

（1）从磨损机理和数值模拟分析可得出，案例中R/D=4的长半径弯管由于其结构原因，转弯处磨损更为严重。实际工况下弯管磨穿的位置与数值模拟的情况是基本一致的。为了能改善其磨损情况，可以考虑缩小R/D值到3，使其成为短半径弯管并使磨损量和磨损区域相对较小。

（2）由于弯管内流动特性与包括弯管的内表面摩擦系数、输送速度、所输送的物料特性，甚至环境参数等因素相关，因此R/D值并非在范围内随意选取，否则可能会加剧磨损。