基于气力输送技术大体积类球体物料运动特性研究1)

谭永明 袁世鹏 邢家乐 周敬勇 楼上游,

∗(机械科学研究总院机科发展科技股份有限公司，北京 100044)

†(青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东青岛 266237)

∗∗(合肥职业技术学院，合肥 230012)

气力输送技术在食品、能源、矿山和建筑行业应用广泛，主要应用于面粉、砂粒以及大豆等小颗粒粉状物料的输送[1-2]。经过多年经验积累，小颗粒及粉状物料的运动特性参数已经非常成熟，特性参数可以通过设计手册查取，并应用于工程实践。由于大体积物料气力输送存在效率低和技术应用面窄等问题，致使此类技术基础性研究匮乏[3]，缺少成熟理论及参考数据。但气力输送系统可实现密闭长距离输送和自动化程度高等优势，所以对大体积物料气力输送技术的应用需求长期存在。

在国外，作为商业保密技术，很早就开始研究大体积物料气力输送技术。1853 年，英国伦敦建立第一条城市管道邮政系统，将气力输送技术应用于邮件输送。1961 年，瑞典ENVAC 公司在瑞典首都斯德哥尔摩建立了世界上第一套成形的密闭垃圾气力输送系统，用于对医疗废物和生活垃圾的气力输送[4]。在国内，对大体积物料气力输送技术研究起步晚，基础薄弱。一些高校及研究机构开始对大体积物料的介质输送技术进行了探索性研究[5-6]，如机械科学研究总院机科发展科技股份有限公司在生活垃圾智能化气力输送技术方面的研究，青岛海洋科学与技术试点国家实验室在吸鱼泵方面的研究[7]，吉林大学在地质气钻采样工程设备方面的研究[8]，都是基于大体积类球体物料输送技术的基础性研究，技术侧重于输送通道结构的研究，及流场对输送物料运动的影响。本课题研究关键技术在于大体积物料物理属性界定，运动特性参数获取和不同物理属性物料运动规律的计算分析，这些需要借助理论计算和长期大量基础试验数据积累来完成。本文通过对输送物料物理属性定义、试验数据测取、理论计算和仿真模拟，研究了大体积类球体物料运动特性，对实际工程设计所需关键参数的获取和设计参数库的建立，具有一定参考价值。

1 大体积类球体物料气力输送技术研究

1.1 物料物理属性的界定

大体积物料在气力输送条件下，其运动特性不仅与气流和管道等环境因素有关，与自身的体积、 密度及形状等物理属性也有一定的关系[9]。大体积物料气力输送研究对象为堆积密度在400～1200 kg/m3范围内的纸类、竹木、塑料、有机物料、纺织物、矿物和金属等物料，材料参考密度分别为：有机物料(1100 kg/m3)、无机矿物(1800～2700 kg/m3)、木竹 (600 kg/m3)、金属 (2700～7800 kg/m3)、纸类(950 kg/m3)、塑料(1200 kg/m3)和织物(800 kg/m3)。

物料形状系数是影响物料运动的关键物理参数之一，气力输送物料的形状系数为不规则形状颗粒的阻力系数与当量球体阻力系数之比，即式(1)，所以，类球体物料运动特性研究也是建立在球体物料运动基础上的研究。

式中，C′D为不规则形状颗粒的阻力系数，CD为当量球体阻力系数。

1.2 类球体物料运动特性研究路径

大体积物料气力输送技术理论的计算比较复杂，计算除了考虑物料自身属性因素，还要考虑物料输送中流场的变化以及物料与管道之间的作用关系。类球体物料运动特性研究是通过理论计算、仿真分析和试验验证[10-11]结合的方法来完成，实现路径如图1 所示。

图1 类球体物料运动特性研究路径Fig.1 Research path of globoids material movement characteristics

1.3 类球体物料运动特性理论计算

大体积类球体物料气力输送与集装筒气力输送理论与应用方式相近，物料在水平管道中输送，主要受到绕流气动推力、摩擦阻力、浮力、压力梯度力和惯性力作用，质量附加力、Basset 力、Magnus 力和Saffman 力[12]对湍流状态下的大体积球体物料输送影响不大，可以视为忽略项。

绕流气动推力为

受力运动方程为

式中，A为(迎风) 受力截面面积，ρ为管内空气平均密度，v为空气平均流动速度，vs为物料运动速度，f为滚动摩擦系数，G为物料重量，l为管道长度，p为气体压降，t为物料运动时间，Vs为物料体积。

1.4 物料运动特性试验

试验系统选用已投入使用的管内径为0.488 m垃圾气力输送工程，在选取试验管段的前后端、文丘里管处、风机前后端安装E+HPMC731 型智能压力传感器和速度传感器，其量程为[0～-2.5]至[0～50](kPa)，精度为±0.1%，多规格仪表。传感器借助作用在陶瓷膜片上压力造成测量膜片偏移程度，通过衬底电极和膜片电极检测出与压力成比例的电容，换算并显示压力测量数值。部分观察口放置815 帧率，500万像素，OSG030-815UM 型工业相机加HF-5MPB08型镜头，对输送物料拍照记录[13]，并通过SIMATIC WinCCV7 软件对试验中的测取数据连续自动采集，提供最多6 个高速计数器，独立于CPU 的扫描周期进行计数，可测量的单相脉冲频率最高为100 kHz，双相或A/B 相最高为30 kHz，数据提取采用标准偏差、L2 模进行误差评估，获取评估误差在0.21%以内。根据试验物料的研究范围，将试验物料分为密度为400 kg/m3，600 kg/m3，800 kg/m3，1000 kg/m3和1200 kg/m3五种，体积为2.5 L，5 L 和7 L 三种，完成15 类试验物料90 个工况的试验测试，数据提取、进料及试验物料如图2 所示。通过沿程阻力系数经验取值计算表[14]，能够获得试验管道沿程阻力系数经验值，但实际工程中存在管道锈蚀、密封不足、管内壁粗糙度偏高和制作精度偏差大等客观问题，所用到的沿程阻力系数一般都会高于此经验值，实际工程多采用试验获取值。

完成空载试验并对测取值计算得到参数数据。气体流速为5.82～7.59 m3/s 时的沿程阻力系数为0.017 1～0.024 8，如图3 所示。通过负载试验获取2.5 L 物料综合阻力系数均值为0.034 9，数值区间为[0.030 5, 0.039 6]；5 L 物料综合阻力系数均值为0.077，数值区间为[0.070 2, 0.093 1]；7 L 物料综合阻力系数均值为0.070 7，数值区间为[0.061 1, 0.079 7]。求得试验物料形状系数均值为1.175 8，数值区间为[1, 1.95]，说明试验物料近似球形，形状系数波动不大。

图3 沿程阻力系数试验获取值Fig.3 Obtain friction factor by the test

1.5 物料运动特性模拟仿真

大体积类球体物料气力输送仿真，物料输送受到气体流场和管道等多项环境因素影响[15]，是一个动态运动形式[16]，采用重叠网格，通过UDF 接口获取输送物料和气体流场特征信息，并通过加载受力程序的迭代计算，将修正数值返回求解器，实现物料加载力及运动速度的调整，模拟物料气力输送过程中的运动规律。非稳态仿真模拟分析，计算出其不同时间段的运行情况。

1.5.1 管道空载仿真计算

气力输送工程管道和弯头等辅助连接管件多为标准部件，相同部件沿程阻力系数和弯头特征参数可视为固定常数，空载试验及仿真计算通过对检测管件分类，测取和计算获取其环境特征参数。直管道和弯头的流速及压力如图4 所示。

图4 管道仿真计算图Fig.4 Pipeline simulation calculation diagram

试验直管道为43.5 m 管段，检测数据、计算数据和仿真对比数据分别如表1、表2 和表3 所示。通过试验管道空载试验和仿真数据对比，显示试验检测数据和仿真数据的增减趋势基本一致，而且数值均匀波动不大，说明检测数据真实准确。仿真数据出入口压力差值略小于检测数据差值，流速正好相反，仿真数据普遍略大于检测数据，显示实际管道阻力系数略大于仿真计算取值，可以通过修正曲线对测量数值做微调校正。弯头压力对比数据和风速对比数据分别如表4 所示。仿真分析数据对比图显示测量与仿真计算得到的气体压力值和速度值趋势保持一致，因为弯头管段较短，压力差值小，所以仿真计算值和测量值非常接近，仿真值略大于测量值。与之相反，气体流速仿真值小于测量值，显示测量值阻力系数大于理论值。

表1 试验管道测取数据Table 1 Measured data of test pipe section

表2 计算后获取数据Table 2 Calculated data

表3 试验管道仿真数据对比校正Table 3 Comparison and correction of simulation data of test pipe section

表4 弯头仿真数据对比校正Table 4 Comparison and correction of elbow simulation data

1.5.2 管道负载仿真计算

气力输送物料运动仿真借助Fluent 动网格气体流场分析模块，以及气固耦合中气体流场对输送固体作用进行运动分析，使用外驱动程序编制输送物料受力环境，并通过UDF 接口获取并调整物料加载力，从而模拟物料气力输送过程中的运动特性。为了解决计算量大和试验工况多等问题，采用超级计算机并行运算模式完成物料运动的模拟计算，仿真建模如图5 所示。

图5 物料输送运动仿真建模Fig.5 Simulation and modeling of materials in conveying movement

2 数据对比分析

通过对试验管段不同密度不同体积物料的运动输送情况进行仿真数据汇总和对比分析，获取气力输送下大体积类球体物料的输送运动规律[17]。分析数据情况如下。

2.1 同体积不同密度物料运动数据对比

使用体积为2.5 L，5 种不同密度物料试验和仿真分析，压力和物料初始速度相近的五组计算数据进行同体积不同密度物料运动分析，拟合后物料运动曲线如图6 所示。

图6 2.5 L 多种不同密度物料运动曲线Fig.6 Movement curve of 2.5 L materials with different densities

2.2 同密度不同体积物料运动数据对比

使用体积为 2.5 L，5 L 和 7 L， 密度为1200 kg/m3的物料，压力和物料初始速度相近的几组计算数据进行同密度不同体积物料运动分析，拟合后物料运动曲线如图7 所示。

图7 多种体积密度1200 kg/m3 物料运动曲线Fig.7 Movement curve of 1200 kg/m3 materials with various volumes and densities

2.3 大差距体积密度物料运动数据对比

使用体积为2.5 L 密度为400 kg/m3与体积为7 L 密度为1200 kg/m3的物料，选取压力和物料初始速度相近的两组计算数据进行运动对比分析，研究小体积小密度和大体积大密度物料输送运动情况，拟合后物料运动曲线如图8 所示。

图8 大差距体积密度物料运动对比曲线Fig.8 Large gap bulk density material movement comparison curve

3 结论

本文通过理论计算、仿真分析和测试试验相结合的方法，对大体积类球体物料运动特性进行研究，获取了不同体积、不同密度以及不同输送条件下物料的运动特性参数和运动规律，对工程应用和参数获取具有一定参考价值，主要结论如下：

(1) 通过研究获取试验管道环境参数。气体流速为 5.82～7.59 m3/s 时，管道沿程阻力系数为0.017 1～0.024 8；2.5 L，5 L 和7 L 试验物料综合阻力系数分别为0.0349，0.077 和0.070 7；试验物料形状系数均值为1.175 8，数值区间为[1, 1.95]。

(2)通过大体积物料气力输送计算数据的对比分析，得出：①大体积物料运动特性与物料的形状、密度和体积有密切关系，且具有规律性。②同体积不同密度物料随着密度增加，物料加速度明显变小；不同体积同密度物料，体积越小，物料加速度越大，并且随气压降低和输送物料速度的提高，加速度有所变小；小体积轻质物料较大体积重物料更容易输送。小体积轻质物料加速度大，随着物料速度增大，加速度明显变小。大体积重型物料加速度小，且加速度变化小。

(3)仿真计算和试验测试数据贴合度较高，采用理论计算、仿真分析和测试试验相结合的方法，能够实现大体积物料气力输送技术的精确计算。