粮食颗粒密相输送的数值模拟与分析

王东霞 乔书杰 刘一扬 刘玲玲 王雪梅

粮食颗粒密相输送的数值模拟与分析

王东霞 乔书杰 刘一扬 刘玲玲 王雪梅

（郑州财经学院机电与汽车工程学院，河南 郑州 450044）

本文对粮食颗粒密相输送系统进行合理的结构简化，通过Gambit软件建立几何模型并划分网格。以小麦颗粒为研究对象，基于Fluent对物料的运动特性和流场进行模拟分析，最终得出不同风速下输送管道内部粮食颗粒的压力及速度变化趋势。

密相输送；气力输送；气固两相流；数值模拟；粮食颗粒

密相输送是气力输送的一种，是一种采用较低气速、较高气压及较高的固气比将物料形成栓塞状沿固定管道进行输送的方式。目前，密相输送技术在粮食行业得到了广泛应用，一定程度上改善了我国粮食“四散”中的散运问题。但是，密相输送技术在粮食物料输送方面的研究还不够［1-3］。

1 密相输送系统

密相输送装置有吸送式气力输送装置、压送式气力输送装置及混合式气力输送装置。本文数值模拟分析所采用的装置是压送式正压气力输送装置，该输送装置一般包含供料装置、气体供给装置、输送管道及气固分离装置等主要部分［4，5］，其结构简图如图1所示。

2 模型的建立

2.1 几何模的建立

图1 压送式密相输送系统

几何模型的建立是基于密相输送实体设备的合理简化，简化部分主要包含水平管道、弯管及竖直管道，管道输送管径d=130mm，水平管道长L1=900mm，竖直管道L2=900mm，当弯管中心曲率半径按弯径比k（k=R/d）的取值范围为1～3时，随着弯径比的增大，颗粒在弯管处的受力减小，碰撞减少，可降低粮食物料的破碎率，故而弯管中心曲率半径取R=300mm，几何模型如图2所示。

图2 简化几何模型

2.2 网格单元的划分

网格是利用前处理软件Gambit进行划分。由于该平面二维模型较为简单，物料流动符合管道几何外形，因而，为了减少软件计算数值耗散，可以采用大比率的四边形单元合理划分单元网格，且可以以最少的单元获得更好的分析结果。单元网格划分如图3所示。

图3 局部单元网格划分

3 基于Fluent的密相输送管道的数值模拟

网格单元划分以后，将模型导入Fluent，读入网格并检查网格正确与否，检查无误后进行边界条件设置，然后进行模拟仿真。

3.1 边界条件设定

进行求解器设置时，选择2D网格模式，Models选择Multiphase-Eulerian；然后进行Multiphase Model的设置，湍流数值模型采用Viscous-Standard k-ɛ；其后定义两相流材料的物理属性，本文定义两相流为小麦和空气；最后定义边界条件，进口边界设置为velocity-inlet，定义合适的进口速度、湍流动能I及水力直径DH。出口边界设置为pressure-outlet，需设置湍流动能I及水力直径DH，墙边界设置为wall保持默认即可，其中，湍流动能计算公式如下：

式（1）中：V 表示边界流速，m/s；DH表示水力直径，m。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 风速对管道内部粮食物料压力的影响。由于散粮物料在管道内的流动主要与入口风速和散粮物料的密度相关，现以小麦密度ρ=375kg/m3，粘度μ=0.08 kg/（m.s），设置不同入口风速进行模拟仿真，粮食颗粒所受压力变化云图如图4、图5所示。

图4 V入=20m/s时小麦物料的内部压力图

图5 V入=40m/s时小麦物料的内部压力图

由图4、图5可知，小麦物料在输送管道入口中心处所受压力最大，在水平段内随着输送距离增大逐渐减小，且管道底部的物料受力较小；在弯管部分，弯管上部粮食物料的受力较大，这主要是由粮食物料与管壁的碰撞摩擦及物料堆积引起的；在竖直管内，随着输送高度增大，粮食物料所受压力增大，变化幅度较小。

风速由20m/s至40m/s变化过程中，粮食颗粒所受最大压力如表1所示。

表1 不同风速下粮食物料所受最大压力

从表1可以发现，当其他条件不变时，输送管内气体速度从20～40m/s变化的过程中，小麦颗粒所受到的压力随着入口风速增大不断增加。

3.2.2 风速对管道内部粮食物料速度的影响。管道内部粮食物料速度变化云图如图6、图7所示。

图6 V入=20m/s时小麦物料的速度变化

图7 V入=40m/s时小麦物料的速度变化

由图6、图7可知，小麦物料在输送管道入口中心处速度最快，在水平段内随着输送距离增大，速度减小，且管道底部的小麦物料速度较小，管道上半部的速度较大，这主要受粮食物料与管壁摩擦力的影响，尤其在管道底部还受物料坍塌的影响，故而速度较低。在弯管部分，粮食物料的速度逐渐降低；在竖直管内，随着输送高度增加，粮食物料的速度增大，变化幅度较小。

风速由20m/s至40m/s变化过程中，粮食颗粒速度变化如表2所示。

表2 不同风速下内部弯道下粮食物料速度

从表2可以发现，当其他条件不变时，输送管内气体速度从20～40m/s变化的过程中，小麦颗粒在弯道处的速度随着入口风速的增大而增大。

4 结论

保持其他条件不变，只改变入口风速，对粮食物料密相输送整体管道的仿真分析结果如下。

①水平管道内，随着入口风速的增大，其内部粮食物料随输送距离增大，压力及速度不断降低，且管道底部受物料坍塌及其与管壁摩擦力的影响，物料所受压力及速度较低。

②竖直管道内，受物料重力及气体向上悬浮力的影响，料栓不断形成及溃散，故而随高度增大，其压力及速度随之增大。

［1］王明旭，秦超，李永祥，等.气力输送过程中粮食颗粒的输送特性研究［J］.农机化研究，2014（9）：18-22.

［2］王锟，潘洪利，刘宗明.浓相气力输送分支管道分流特性的数值模拟［J］.济南大学学报，2013（3）：303-308.

［3］李志华，彭宗祥，周云杰，等.散状物料在气力输送管道中的密相流动数值模拟与分析［J］.硫磷设计与粉体工程，2012（5）：32-35.

［4］杨军伟，张俊岭，荆海伟.密相栓流脉冲气力输送系统工艺设计［J］.工艺设备，2014（2）：25-27.

［5］董中华.气力输送系统及其设计［J］.化工装备技术，2016（3）：5-8.

The Numerical Simulation and Analysis of Grain Particles in Dense Phase Transport

Wang Dongxia Qiao Shujie Liu Yiyang Liu Lingling Wang Xuemei
（Institute of Electrical and Mechanical and Automotive Engineering,Zhengzhou Institute of Finance and Economics，Zhengzhou Henan 450044）

This paper made a reasonable structural simplification of grain particles dense conveying system,gambit software was used to build the geometric model and divide the grid.Based on Fluent,the move⁃ment characteristics and flow field of the material were simulated and analyzed.Finally,the trend of pres⁃sure and velocity of grain particles in the pipeline was obtained under different wind speeds.

dense phase transport；pneumatic delivery；gas-solid two phase flow；numerical simulation；grain parbicles

TH232；S226.9

A

1003-5168（2017）10-0051-02

2017-09-01

河南省教育厅高等学校重点科研项目（15A460045）；河南省科技厅重点科技攻关项目（152102110071）。

王东霞（1982-），女，硕士，讲师，研究方向：粮食机械结构优化。