基于Fluent软件的煤仓内煤流仿真分析

张建锐，万小龙，郭晋昌，王俊升，徐 静

（1.陇东学院机械工程学院，甘肃庆阳 745000；2.国家电网环县供电公司，甘肃庆阳 745700；3.国家电网庆阳供电公司，甘肃庆阳 745000）

基于Fluent软件的煤仓内煤流仿真分析

张建锐1，万小龙1，郭晋昌1，王俊升2，徐 静3

（1.陇东学院机械工程学院，甘肃庆阳 745000；2.国家电网环县供电公司，甘肃庆阳 745700；3.国家电网庆阳供电公司，甘肃庆阳 745000）

煤流在煤仓中的流动效果受煤仓下部漏斗的结构形式、煤流的成分、水分等因素的影响，基于Fluent软件对煤流的各种状态进行仿真模拟，得到仓体压力值、颗粒的运动轨迹图。对煤仓结构的优化、煤仓防堵措施的制定，具有重要参考价值。

煤仓漏斗；堵仓；仓体压力；煤流仿真

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.57

0 引言

煤仓是煤炭运输过程中不可缺少的环节。煤仓堵塞受内、外因素综合影响。 内因主要指煤的物理机械性质；外因指仓体功能设计因素。通过对煤堵塞机理的研究，探索煤仓结拱的原因，在设计时应充分考虑煤质特性、煤料在煤仓中的受力以及仓口结构等因素，以便尽可能减少煤在煤仓中的结拱现象，为制定有效的煤仓防堵措施提供理论依据。

1 软件分析的目的

根据煤炭颗粒在不同结构仓体的气固二相流动的运动规律，找出煤炭颗粒在仓体运动过程中影响粘度的因素。利用Fluent6.3对煤炭块儿在煤仓内气固两相流的流场进行了仿真模拟，得到了气固两相流动的压力场、速度场分布以及煤块儿在煤仓内的运动轨迹。通过对比各种仓体的差异，优化出最适宜的仓体结构。

Fluent软件是目前比较流行的CFD软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，它具有非常丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度，同时它灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，以及强大的前后处理功能都是它被工业实际应用认可的保障[1-2]。

2 煤仓下口漏斗的建模

煤仓下口的特点是煤块停留时间短、若设计不合理极易发生堵仓事故，模型建立是做2个简化假设。（1）颗粒度有大小之分，且以中等颗粒为主。（2）颗粒分布均匀，不会出现忽多忽少的情况。

2.1 煤仓下体网格划分

基于对煤仓下体几何模型的假设及流体力学的相关理论知识，建立煤仓下体的几何模型，用Fluent自带的GAMBIT画图软件建立煤仓下体模型，不同煤仓下体的几何模型各有不同，因此将煤仓上端统一为直径600 cm、高200 cm的圆柱，下端统一为直径200 cm、高100 cm的圆柱，中间为高是600 cm 4种不同结构的仓体模型。由于网格的质量决定着Fluent模拟的成败或者收敛的快慢，所以在对模型进行仿真模拟之前要对网格文件进行检查，依次点击Grid-Check要求最小体积不能为负值，否则Fluent无法进行计算要对网格重新划分[3]。

2.2 数值求解的设置

利用Fluent中提供的流动和二相流模型对仓体内煤块的流动进行了模拟研究[4]。为了用数值方法求解流动过程，必须给定相应的边界条件和初始条件，它们会直接影响到方程组的收敛性和正确性。煤块固体密度为1400 kg/m3，进口初速度为10 m/s，煤块颗粒流量为1130 kg/s，煤颗粒平均直径范围50～100 mm，运动方向为自上而下，经过以上各种结构仓体，流出下料口。

对于流动的边界条件根据各工况参数对其入口速度、温度和入口的固相体积分数进行统一设置，湍流定义方式为湍流强度和颗粒直径[5]。

3 固体仿真模拟结果

通过对不同仓体固体仿真模拟云图的分析对比，更加清楚直观的看到不同仓体之间的差异，有利于选择出更为合理的仓体结构类型。

3.1 不同结构仓体压力场分析

通过不同曲面仓体的压力分布云图，可知煤颗粒在仓体内的压力分布，其中最小值出现在仓体的进口处，原因是研究的系统是一个简化的输送装置，最小压力值一定是出现在仓体进口处，从仓内的压力分布图可以看出，仓内煤碳颗粒在整个运动过程中压力是逐渐增大的，这是因为随着仓体的逐渐收缩煤炭颗粒在运动过程中汇集的更密集，对底部煤炭产生更大的压实度，故在煤仓曲线末端处增到最大。随后又减小至某一稳定值流出仓体。

不难看出双曲线型仓体的体积最小，因此底部受到的压力最大。压力越大则颗粒向下的速度越快，并且双曲面型煤仓较其他仓体的压力值最早发生变化。这使得双曲面型仓体内的颗粒以更快的速度通过煤仓，有效地避免了煤炭颗粒在出料口的堵塞，不易发生压力过小，颗粒流动速度太慢而导致的结拱现象。其次是圆锥面，而椭球面型仓体最差，颗粒在仓体下部由于压力太小，仓体下口又突然紧缩极易引起煤仓下口的堵塞，最不适宜。

3.2 不同仓体结构部分速度矢量分析

由于煤炭颗粒是从仓体上口以面的形式向下运动，因此模拟煤炭颗粒的多少由边界入口划分网格的个数决定，颗粒比较密集，这里提取部分炭块颗粒，提取其中一部分煤炭块儿的速度矢量，具体比较一下不同仓体结构对颗粒速度的影响。

根据速度矢量分析，煤炭颗粒的速度在仓体的不同位置速度是不同的。煤炭颗粒在不同的仓体中运动，因仓体结构不同，颗粒会在不同的仓体中速度矢量的变化也不同。颗粒在各种仓体内在中下方位置的速度有明显差异，双曲面型箭头较其他3种长。则表明速度最快，其次是圆锥面型，而椭球面型颗粒运动速度最慢抛物面型次之，这说明颗粒在椭球面型和抛物面型仓体中运动不够流畅，因此双曲面型最好，颗粒运动速度最快。

3.3 不同仓体结构部分颗粒轨迹

图1是部分煤炭颗粒在4种不同仓体的运动轨迹，从图中可以清楚的看到，不同仓体中颗粒运动在仓体下方是沿仓壁运动的。可以发现在出仓口由于仓体结构的不同，圆锥面和双曲面型中，大多颗粒在重力的影响下沿仓壁下滑，由于仓体结构的不同颗粒与仓壁、颗粒与颗粒之间的碰撞也不同。

对于双曲面型仓体颗粒会在重力加速度的影响下沿仓壁在出仓口向四周扩散流出，这避免了煤炭颗粒在出料口的堆积而导致的出料口堵塞。减少了清理出料口的时间。而椭球面和抛物面型由于仓体下口突然收缩，大多颗粒会沿着仓壁下滑至仓体下部仓体的突然收缩使颗粒运动变慢，而缓慢流出出料口，这样颗粒会在出料口堆积随着颗粒的增多会出现堵塞出料口的现象。颗粒出仓会比较困难，因此，不利于煤炭向外流出。

图1 煤颗粒在不同仓体的运动轨迹

4 结论

由Fluent软件对以上4种不同的结构煤仓的仿真模拟分析来看，选用双曲面型漏斗煤仓比圆锥面、椭球面、抛物面各方面都比较优越。采用双曲面型煤仓，渐缩部分上部筒壁收缩较快，这部位由于尺寸比较大,不易形成蓬煤。下部筒壁收缩较慢，这部位筒体其筒壁非常陡峭,筒壁对煤块儿向上的支撑作用非常小，且上部原煤对下部原煤的压力作用集中，使得煤块儿能够快速、稳定的通过煤仓下口使堵塞事故减少。双曲面型煤仓漏斗是防止煤仓发生结拱堵塞事故较好的结构形式。

［1］许静，钱昆，李斌，等.Fluent软件在流体机械原理课程教学中应用［J］.科技风，2016（12）:5-5.

［2］江帆,黄鹏.FLUENT高级应运与实例分析［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］郭仁宁,于连丽.粉煤干燥管内气固二相流动的数值模拟与实验研究［J］.热能工程，2009（11）:45-46.

［4］吴茂磊,李俊俊,郑翔.L型气固两相流管道输送有限元分析［J］.机械工程与自动化，2015（5）:33-35.

［5］周俊波.FLUENT6.3流场分析从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2012.

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〔编辑 凌 瑞〕