稀相氣力輸送彎管磨損的數值模擬及設計改進

董盛+++李維佳

摘 要：從設備使用中遇到的實際問題出發，分析研究了稀相氣力輸送系統中彎頭磨損機理。通過Fluent數值模擬的方法，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合算法進一步探討了彎頭形狀參數對磨損的影響。初步揭示了短半徑彎頭的內部流動特性及抗磨損機理。并通過對多組模型的數值模擬，提出了從耐磨角度考慮，短半徑彎管在其他條件不變的前提下彎管R/D值有最佳值。在了解并通過上述數值模擬驗證了磨損機理的基礎上，給出了幾種實用的抗磨損彎頭結構。

關鍵詞：氣力輸送；磨損；數值模擬；氣固兩相流；短半徑彎頭

氣力輸送是利用通過加速空氣的流動來帶動顆粒或粉體狀物料在密封的管道中進行連續輸送的技術。氣力輸送裝置的結構簡單，操作方便廣泛應用于電力、化工、食品生產、機械制造等多個行業。氣力輸送是典型的氣固兩相流，針對物料在運輸過程中其流動狀態復雜性，文章從氣固兩相流理論出發，結合數值模擬分析闡述了造成彎道磨損的主要原因，針對彎管的磨損進行了探討。

由于管道布置需要，氣力輸送管路主要由彎管，直管，變徑管組成。其中通常又以彎管對氣固流的壓力降、管壁磨蝕、物料破碎的影響最大，磨損部位一旦破損，破損處的泄料不僅會破壞整個系統的氣密性，影響裝置的正常工作，而且會污染環境。

彎管在管路設計、運行操作中都備受關注。因此，必須了解彎管內的氣固流動規律及其磨損原因，合理進行參數的選擇、結構的設計，使裝置的性能達到最佳狀態。

1 實際案例介紹

圖1 輸粉彎管長期使用后磨穿照片

如圖1所示為某公司生產的粉末傳輸設備，其粉末傳輸系統中彎管R/D值約為4，氣固兩相流速約10m/s，粉末顆粒直徑為10-20μm。彎管在長時間使用后轉角外延處磨損嚴重，有個別彎管甚至已經磨穿。造成粉末外溢，嚴重影響了系統運轉，并且造成了生產工廠環境污染。因此，有必要針對這一現象產生的原因做理論分析，同時給出更可行的方法指導管路設計。

2 彎管磨損機理分析

由于固體顆粒物的存在，氣力輸送中管壁磨損不可避免。彎管內磨損是一個復雜的現象，對其磨損機理的假設如下：

（1）彎管處的沖擊磨損。管道中高速運動著的物體，在突然發生變向的彎管中，由于慣性的作用會使其繼續朝著原來的運動方向運動，部分顆粒會與管壁發生碰撞，這是管壁破損的主要原因之一。碰撞過程中會造成傳輸顆粒的動能損失，并可能造成傳輸顆粒的破裂以及管壁的磨損。

（2）除沖擊磨損以外，彎管內還存在摩擦磨損。物料顆粒在經過彎道時，運動狀態發生改變，此過程中一部分速度較低或經碰撞減速后的物料會沿著彎管內壁與彎道內壁發生滾動摩擦。由于離心力作用，物料顆粒對管壁的正壓力增大，產生的摩擦力也隨之增加。

（3）沖蝕磨損。由于顆粒沖擊彎管表面而使得管壁材質產生的局部變形，表面材質甚至被切割剝離而形成的磨損。

（4）由于顆粒受到Magnus升力產生高速旋轉，高速旋轉的顆粒與管壁接觸時也會對管壁造成額外的磨損。

另外，這些磨損并非獨立存在的，它們在彎管中會相互影響，相互作用，并對彎管產生綜合性的效果。

通常來說，在這些作用中沖擊磨損所造成的影響最大，其次是摩擦磨損。因此文章主要針對彎道處的沖擊磨損及摩擦磨損進行研究。

影響彎管磨損和壓力降的主要因素有氣固兩相流流速、固相體積分數 、管道幾何形狀，尺寸及材質和粉體特性等。然而對于工程師的管道設計來說，其他因素通常都以及成為設計輸入條件，最方便控制和改變的可能就是管道幾何形狀及尺寸及材質這個因素。在管道幾何形狀及尺寸中，彎管曲率半徑與管道直徑之比（R/D）對磨損的影響很大。早期的管路設計時，人們通常認為顆粒在彎管中會沿外側內壁流動，因此認為曲率半徑越大的彎管收到的壓力越小，相應的磨損和壓力損失也越小。因此，氣力輸送系統最初使用的都是長半徑彎管其R/D值通常達到8～24。而后來，通過Mason彎管試驗以及實際的工程實踐驗證發現，物料流經彎管時，會在內壁外側和內側彈跳。每個磨損點都說明物料與管壁之間存在強烈的沖擊。事實上，長半徑彎管曲率半徑越大，撞擊反而會越嚴重，沖擊碰撞點也越多，磨損非但沒有減輕反而更加嚴重。為了能使物料盡可能少的在彎管內碰撞并降低物料對管壁的磨損，短半徑彎管（R/D值為2～3）應運而生。實際使用中，這種彎頭會在彎頭轉彎處形成一個物料堆積的密集區域，可以起到保護管壁外側內壁的作用。那么短半徑彎管內是如何形成堆積的密集區域的？它的氣固兩相流的流動特性是如何的？對于抗磨損而言，R/D值的取值如何選取，是可在區間任意選取還是存在最佳值？這些問題的答案對我們優化設計是很有幫助的，有必要對其深入研究。

圖2 沖擊磨損示意圖

3 彎管數值模擬

為了能夠研究彎管（特別是短半徑彎管）內的流動狀態，并驗證磨損機理，考慮通過數值模擬分析，計算彎管內壁的受力情況以及彎管內氣固兩相流的速度變化情況，從而勾勒出彎管磨損的情況。

運用了Fluent軟件，選取R/D=2，3，4，5共4種不同R/D值彎管作為研究對象，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合計算方法，對彎管內的稀相氣力輸送過程進行數值模擬，目的是揭示彎管道分流處氣固兩相的壓力分布、速度、湍流情況等流場信息，為彎管的設計提供理論依據。

為了盡可能與案例接近，彎管幾何模型設置如下：

建立R/ D=2，3，4，5的水平轉垂直的90°彎管模型各一個， 管內徑統一為30mm，水平和垂直端各增加20mm長直管部分。

氣固兩相流參數及邊界條件設定如下：

入口條件：

Velocity inlet 速度入口；氣相介質：空氣；密度ρg.：1.225 kg /m3；入口氣速Vg：10m/s；粘度：1.7894×10-5kg/m-s；固相介質：碳粉；物料粒徑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；入口物料體積分數：10%。endprint

出口條件： outflow充分發展出口。

環境條件：

環境溫度：288.16K；大氣壓力：101325Pa；重力加速度： 9.81m/s2

相間阻力設定為schiller-naumann，湍流強度為10%。

4 模擬結果與討論

通過在Fluent中反復計算迭代保證算法收斂，得出了以下結果。

4.1 速度對比

R/D=2，3，4，5時，氣固混合物速度矢量分布圖分別如下：

圖3 各R/D值對應氣固兩相流速度矢量分布圖

R/D=2，3，4，5時，氣固兩相流出口端面速度分布云圖如下：

圖4 各R/D值對應氣固兩相流出口速度分布云圖

參考圖3并結合圖4可以得出以下結論：

（1）隨R/D值不同，彎管內速度矢量分布的總體趨勢相近，即都是內圓弧處矢量速度較大，外圓弧處矢量速度較小。

（2）內側近壁區速度有超過進口速度的局部升速現象。外側近壁區速度有降低現象。其中R/D=3彎管速度最低。出現外側近壁區顆粒速度低是氣固兩相流轉向擁堵造成的。這里便是短半徑彎管存在物料堆積密集區。在這個區域內顆粒會有所減緩，甚至停留，起到保護管壁不受后續顆粒撞擊的作用。有利于減少磨損。R/D=2也有物料堆積區，但其區域面積明顯小于R/D=3彎管。另外，在靠近出口處的外側近壁區有類似R/D=4，5彎管的速度上升現象。

（3）由圖4出口端面的速度分布可以看出，R/D值為3的出口速度分布云圖最均勻，管中央速度較高，可以清晰的看到位于外側近壁區的低速區域。而R/D=4，5或較小R/D=2的出口速度分布都相對更不均勻，外側近壁區速度相對其他區域的速度要高的多。在近壁區域的氣固兩相流速度升高，顯然是會加劇管壁磨損的。

4.2 壓力比較

由圖5結合圖6可以得出：

（1）氣固兩相流在彎管中最高壓強壓強集中在外圓弧最外沿接近理論撞擊區域。這與假設的磨損機理是相符的。固體顆粒在彎管內運動的方向急劇改變， 此時顆粒群在彎管中轉彎發生擁堵， 減速、再加速、轉向， 造成能量損失很大。這造成了外壁壓強的增大，也是外壁磨損的主要原因之一。

（2）還可以分析出，隨著R / D的增加，受壓區域的最高壓強逐漸減小。但彎管受壓力總面積隨之逐步增大。可以很容易看出，高壓強區面積最小而集中，且最大壓強相對較小的是R/D=3彎管。因此，如果我們從控制磨損的角度考慮，可認為其他條件相同的情況下，R/D=3彎管磨損更容易控制一些。另外，若要在磨損區域增加耐磨管壁材料或者可拆卸零件，受壓區域控制在較小范圍內也是有利于設計優化和改造的。

（3）特別的，R/D=4高壓強區域與案例中磨損實際發生的區域基本一致。這一定程度上也證明了數值模擬以及磨損機理假設的準確性。

為了能減少磨損，可以考慮將原設計的長半徑彎管優化為R/D=3的短半徑彎管。

5 其他抗磨損彎頭結構

上述彎管尺寸優化可以在不改變結果的前提下減小彎管磨損，但如果希望進一步提升彎管的壽命，還可以在上述研究的基礎上，采用以下幾種常用的抗磨損彎頭結構改進。

圖7 常用抗磨彎頭結構

（a）易磨損區域加厚彎頭。在最易磨損區域加厚或者改用其他耐磨材料。可以增加彎管壽命。

（b）可拆卸型彎管。即使加厚彎管磨損點處的材料厚度，還是會不可避免地被磨損，為了不至于更換整個彎管，可以在磨損點處加裝一個蓋狀的可拆卸零件。可定期更換此零件。

（c）球形彎頭以及（d）T型彎頭。可以使物料在到達彎道部位時自動形成一層保護膜，將常規氣力輸送彎管中物料對彎道內壁的沖擊磨損轉化為物料自身之間的滾動摩擦，以達到降低管道磨損的效果。

6 結束語

通過上述研究，可以得出以下結論：

（1）從磨損機理和數值模擬分析可得出，案例中R/D=4的長半徑彎管由于其結構原因，轉彎處磨損更為嚴重。實際工況下彎管磨穿的位置與數值模擬的情況是基本一致的。為了能改善其磨損情況，可以考慮縮小R/D值到3，使其成為短半徑彎管并使磨損量和磨損區域相對較小。

（2）由于彎管內流動特性與包括彎管的內表面摩擦系數、輸送速度、所輸送的物料特性，甚至環境參數等因素相關，因此R/D值并非在范圍內隨意選取，否則可能會加劇磨損。

（3）在其他條件不變的前提下，即便在短半徑彎管要求的區間內選取值，也需要注意彎管R/D值有一個相對最佳值。超過或小于此值，磨損情況都會相對增加。

（4）可以通過對彎管內氣固兩相流的數值模擬及對結果的分析，指導設計選擇較為合理的R/D值等彎管尺寸，從而達到優化彎管磨損量及磨損區域的目的。

（5）在充分了解磨損機理的前提下，還可以使用包括對磨損區域加強，局部更換磨損區域，以及使物料在流動過程中堆積在磨損區域等方法進一步減少彎管磨損的影響，增加它的使用壽命。

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作者簡介：董盛，學校：東華大學，機械工程學院，在讀工程碩士。工作單位：諾信（中國）有限公司；工作職位：資深應用工程師；從事粉末噴涂設備的設計與應用。endprint