基于EMMS模型垂直向上密相悬浮气力输送过程数值模拟研究

潘刚

摘 要：基于EMMS模型，建立垂直向上密相悬浮输送过程的数学模型。对输送管道内固体颗粒的速度、体积分数以及管道内压力变化进行了研究。研究结果表明：固体颗粒在管道发生团聚现象；在高度方向上，固体颗粒速度呈现出先减小后趋于稳定的变化趋势，固相颗粒平均体积分数呈现出先增加后平稳的趋势；在高度h=3.5～8 m范围内气力输送过程趋于稳定。

关键词：EMMS模型 气力输送 数值模拟

中图分类号：TH411 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0009-02

Numerical Simulation of Vertical Upward Dense Phase Suspension Pneumatic Conveying Based on EMMS Model

Pan Gang

（Inner Mongolia University of Science and Technology， School of energy and environment，Baotou Inner Mongolia，014010，China）

Abstract：The mathematical model of vertical upward dense phase suspended transportation process is established based on EMMS model.The velocity and volume fraction of solid particles in the conveying pipeline and the pressure changes in the pipeline are studied.Research results show that agglomeration of solid particles in the pipeline.The velocity of solid particles decreases firstly and then tends to be stable in height direction.The average volume fraction of the solid particles increased first and then tends to be stable in height direction.The pneumatic conveying process is stable in the height h=3.5～8 m range.

Key Words：EMMS model；Pneumatic conveying；Numerical simulation

气力输送颗粒物料是工业中常见的输送方式，是复杂的气-固两相流动过程[1]。输送管道内气固两相的流动状态影响气力输送过程的安全性和稳定性，相关研究者对气力输送过程进行了研究。东南大学[2]通过实验分析干煤粉在管道中发生两相流动的过程，并且利用其特性研究工业问题。而原田幸夫等人[3]通过管道内气力输送测速实验研究，得到影响固相悬浮速度提高的原因很大一部分是由于压降的增加。针对垂直放置的管道内大粒径固相颗粒数量少的情形，Tsuji等人[4]利用Lagrange的研究方法进行了数值模拟计算。Ottjies等人[5]对发生在水平放置的管内固相颗粒的运动进行了数值模拟，并研究了固相颗粒与管子壁的碰撞。浙江大学[6]研究了在管道内发生稠密两相流动的情形，并建立了包含有连续介质以及颗粒轨道模型的模型。以上研究通过实验手段，采用双流体模型的数值模拟方法对气力输送过程中气固两相的速度分布，固相颗粒体积分数进行了研究。但采用EMMS模型对气力输送过程的研究较少，该文基于EMMS模型，对垂直向上密相悬浮气力输送过程进行了数值模拟研究。

1 物理模型

该文所研究的密相悬浮气力输送过程是发生在垂直的管道中，管长为8 m，管径为8 cm，如图1所示。固体颗粒密度为1020 kg/m3，粒径为1 mm；固相颗粒入口速度为6.5 m/s，气体入口速度为17.5 m/s。采用二维轴对称模型研究气力输送过程的气固两相流动过程。

2 数学模型

采用双流体模型模拟密相悬浮气力输送过程。气固两相之间的作用力主要考虑相间曳力，曳力模型采基于EMMS（Energy- Minimization Multi-Scale）的曳力模型，由中科院所開发的EMMS软件中的曳力计算模块（EMMS/Matrix）进行计算。EMMS/Matrix曳力模型是基于EMMS思想[8]，EMMS模型对非均匀结构和气固相间作用进行了多尺度分解，用结构参数描述各个尺度内气固两相的相互作用。模拟采用FLUENT6.3.26作为求解器。模拟计算的时间步长为0.0005 s。

3 计算结果及分析

3.1 固相颗粒平均速度

固相颗粒平均速度沿高度方向的变化规律如图2所示。固相颗粒平均速度的变化规律呈先下降后稳定的变化趋势。在管道高度方向h=0～3.5 m区间内，固相颗粒平均速度曲线呈线性下降的趋势，随着管道高度的增加，平均速度Us越小，从6 m/s下降为2 m/s；即在气固混合物沿管道上升的过程中，固相颗粒的平均速度是逐渐减小，颗粒团聚现象的发生导致固相颗粒平均速度的减小。在高度方向h=3.5～8 m区间内，固相颗粒平均速度虽然有微小波动，但大致呈稳定的状态，固相颗粒速度约为2 m/s。即随着管道高度的增加，固相颗粒平均速度的变化越来越平缓，这意味着气固混合物在管道中的运动逐渐趋于稳定。

3.2 固相颗粒的平均体积分数

图3为固体颗粒体积分数的瞬时值和时间平均值，在管道内呈不均匀分布。从图3（a）可知固体颗粒局部体积分布较高，表明固体颗粒在管道内发生了团聚；从图3（b）可知固体颗粒体积分数的时间平均值，表现为中间的颗粒体积分数较高，而边壁的固体颗粒体积分数较低。

图4为固体颗粒平均体积分数在高度方向上的变化规律。在高度方向上，顆粒体积分数表现出先增加，再减小，并逐渐趋于稳定的变化趋势，如图4所示。在管道高度方向h=0～3.5 m区间内，固相颗粒速度逐渐减小，颗粒出现聚团，导致固相颗粒体积分数逐渐增加，从0.04逐渐增加到0.1。而在管道高度方向h=3.5～8 m区间内，固相颗粒平均体积分数曲线有微小先下降后平稳的趋势，即从0.1逐＼渐下降为0.08，并趋于稳定。即随着管道高度的增加，固相颗粒平均速度越来越平缓，使固相颗粒平均体积分数越来越平缓，管道内固体颗粒的流动趋于稳定。

3.3 管道内压力的变化

压力随着管道高度方向的变化规律如图5所示，管道内的压力沿着管道高度方向呈逐渐降低的趋势。在管道高度方向h=0～3.5 m的这个区间内，随着管道高度的升高，气固混合物的绝对压力下降的较为缓慢，在高度方向h=3.5～8 m区间内，气固混合物的绝对压力呈线性趋势下降。表明在管道中由于气固运动过程中能量的耗散，压力始终是呈下降趋势。

4 结语

建立了垂直向上密相悬浮气力输送过程的数学模型，气-固之间的曳力采用EMMS模型，对气力输送过程的气固两相流动进行了研究，得到主要结论如下所述。

（1）垂直向上密相悬浮气力输送管道内存在颗粒团聚现象，导致了固体颗粒平均速度在高度方向呈现出先减小，随后趋于稳定的变化趋势。

（2）固相颗粒平均体积分数呈现出先增加后平稳的趋势。即随着管道高度的增加，固相颗粒平均速度越来越平缓，使固相颗粒平均体积分数趋于平缓，管道内固体颗粒的流动趋于稳定。在高度h=3.5～8 m范围内气力输送过程趋于稳定。

（3）由于输送过程中能量的耗散，管道内的压力呈逐渐下降趋势。

参考文献

[1] 谢灼利.密相悬浮气力输送过程及其数值模拟研究[D].北京化工大学，2001：3-4.

[2] 许传龙.气固两相流颗粒荷电及流动参数检测方法研究[D].南京：东南大学，2006.

[3] 原田幸夫，成井浩，岛田克彦，等.利群的速度[J].日本机械学会论文集（第二部），1965，30（210）：231.

[4] TSUJI Y.Numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a vertical pipe[J].Gas-Solid Flows ASME，1991，121（2）：123-128.

[5] OTTJIES J A.Digital simulation of pneumatic transport[J].Chemical Engineering Science，1978，33（9）：783-786.

[6] 马银亮.高浓度气固两相流的数值模拟研究[D].浙江大学，2001.

[7] 李静海.颗粒流体复杂系统的多尺度模拟[M].北京：科学出版社，2005.