基于FLUENT氣固兩相流的研究

向　東

（湖南機電職業技術學院,長沙 410151）

基于FLUENT氣固兩相流的研究

向東

（湖南機電職業技術學院,長沙 410151）

氣固兩相流是氣力輸送過程需要解決的關鍵問題，氣力輸送是以空氣為載體在管道中輸送粉塵或者固體的技術。以水平漸擴管為載體，建立氣力輸送過程中氣固兩相流的理論模型，利用FLUENT軟件對氣力輸送過程進行模擬分析，分別從速度場、壓力場等方面進行分析。通過模擬得出，水平漸擴管可以把速度能轉化成壓力能，能有效減小氣力輸送過程中固體顆粒對輸送管道的磨損，提高管道的使用壽命。

氣力輸送;FLUENT;兩相流;低氣壓

0　前言

氣力輸送是以空氣為載體在管道中輸送粉塵或者固體的技術，氣力輸送系統是一種以高壓羅茨風機或回轉式風機為壓氣設備，以氣鎖閥為供料設備的輸送系統。氣力輸送技術因其具有輸送效率高、能耗低、污染少、設備簡單可靠等優點現在越來越多的用在發電、食品加工、化工等領域。

氣力輸送過程中，壓力沿著管道是逐漸降低，這會使得空氣膨脹，氣體與固體的相對速度增大，導致氣固兩相對管道的撞擊和磨損加劇，輸送距離越長，磨損越嚴重，在管路系統中安裝一個擴張型的管道能有效的緩解這個問題。王琨等人用試驗的方法得出了在水平漸擴管氣固輸送能力與固氣比、擴散角、管徑比等因素有關。李勇等人對試驗進行了改進，得出了管路系統安裝一個漸擴的管道能有效緩解氣固在運行中的磨損問題。衣華等人通過對漸擴管的研究發現漸擴管能使得氣流速度減低，把氣體速度能轉變成壓力能，從而減小氣固對管路的磨損。

可以看出，對氣力研究管路的研究目前已經取得了很大的成就，但大部分人僅僅集中在試驗研究這塊，很少有人從理論和模擬的角度對其機理進行分析。本文利用FLUENT軟件對氣固兩相流在水平擴散管中的流場、壓力場規律進行分析。

1　模型建立

1.1 物理模型建立

圖1　漸擴管示意圖

圖2　漸擴管三維圖

漸擴前后兩管段管徑分別由d與D表示，其值分別為60mm和80mm;擴散角度分別為4°6°、8°、10°、12°。管路總長為900mm。

1.2 理論模型建立

1.2.1 基本假設

選擇主控方程為N-S方程，為了便于計算，忽略一些對研究重點和預期沒有影響或者影響很小的因素，作如下基本假設：

（1）忽略氣體體積力的作用；

（2）介質為牛頓流體，即剪切應力與速度梯度成正比；

（3）表面無滑移，即附著于界面上的流體質點的速度與界面上該點的速度相同；

（4）與黏性力相比，忽略慣性力的影響，包括流體加速度的慣性力和流體膜彎曲的離心力；

（5）模擬過程中，氣體與固體無滑移動，即氣體與固體速度一樣。1.2.2理論模型建立

（1）雷諾方程。基于以上假設，由黏性流體運動方程（Navier－Stokes方程）推導出適合本研究模型的理論方程為：

連續性方程：

連續相動量方程為：

離散相動量方程為：

其中：φi為體積分數；ρi為密度；為速度矢量；τi為切應力，下標i和l分別代表氣相和固相；p為壓力；Kil為動量交換因數，t為時間，g為重力加速度。

1.3 湍流模型

假定從進口進入的氣固混合相是恒定的，基于時均化的Navi er－Stokes方程，采用標準的k－ε湍流模型來確定湍流黏性系數。氣固交換系數采用Wen－Yu模型，顆粒碰撞歸還系數設為0.85；采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對流項的離散采用一階迎風格式，擴散項、源項采用中心差分格式。

2　邊界條件設定

邊界條件設定。根據水平漸擴管的特點，由連續介質假設和質量守恒定律設定進口為壓力進口，進口壓力為0.1MPa，湍動能的進口值取進口平均動能的0.5%，進口湍動能耗散率按照下列公式計算：

其中：inK為進口處的湍動能；iny為近壁計算點到壁面距離；K為卡門常數，取K=0.42.出口為自由出流，固體壁面滿足無滑移邊界條件，湍流壁面采用壁面函數邊界條件。

3　模擬結果及分析

本文模擬了固體顆粒的體積分數為5%，顆粒直徑為0.005mm擴散管擴散角為4°、6°、8°、10°、12°這5中工況下的內部流場、壓力場、湍動能場情況，通過模擬結果漸擴管氣固兩相流的一般規律以及不同角度擴散管對其的影響規律。

圖3是擴散管在6°時固體顆粒在管道中的分布情況，從圖中可以看出，在進口處，固體顆粒的體積分數為5%基本不變，但當進入擴散區后，固體顆粒的百分比沿徑向分布是壁面附近低，中間區域高，因而在同等條件下，采用擴散管進行氣力輸送時，擴散區域壁面磨損較小。

圖4、圖5分布為漸擴管壓力分布圖、速度分布圖。從圖中可以看出，在漸擴管進口端，壓力低，速度高，而在漸擴區域，壓力呈現梯度變化，壓力逐漸變大，氣固速度逐漸變小，漸擴區域結束完后，壓力和速度基本保持不變。經過漸擴管后，壓力升高，速度降低，這不僅僅可以提高氣力輸送的距離，因速度降低，可以減小固體顆粒與輸送管路壁面的碰撞相對速度，降低管道的磨損，提高管道使用壽命。

圖3　漸擴管固體顆粒分布情況

圖4　壓力分布云圖

圖6為湍動能分布云圖，湍動能越高，表明兩相流消耗的能量越多，這是因為湍動能越高，流體渦旋越強烈。從圖中可以看出，湍動能最高的區域不是發生在漸擴區域，而是在管道沒變化的區域，漸擴部分湍動能最低，能量損失最小。這說明漸擴管具有節能的效果。

圖7為不同擴散角的水平漸擴管漸擴區域湍動能的平均值的對比圖，從圖中可以看出，隨著角度的增大，湍動能先是逐漸減小，8°角時，湍動能最小，當角度超過8°時，湍動能不斷增大。這說明對于此模型下的漸擴管，8°是其最優的擴散角。

圖5 　速度分布云圖

圖6　湍動能分布云圖

圖7　擴散角與湍動能關系

4　結論

本文應用Fluent軟件模擬水平漸擴管氣固兩相流流場，通過分析得到如下結論。

（1）漸擴管漸擴區域，固體顆粒壁面附近濃度較低，離壁面越遠，顆粒濃度越高，這說明漸擴管可以減小顆粒與固體顆粒的碰撞，減小管路的磨損，延長管路使用壽命；

（2）因漸擴管的作用，使得管路內混合物的速度能轉化成壓力能，這不僅提高了混合氣體的運輸能力，而且可以降低混合物與壁面碰撞的相對速度，提高管路的使用壽命；

（3）對于本文所用的模型，當漸擴管漸擴角度為8°時，此時的湍動能最小，能量損失最小。

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[3]王琨,段廣彬,劉宗明.濃相氣力輸送水平漸擴管流動分析[J].流體機械,2012,40(07):7-11．

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.247

本文系湖南省教育廳科學研究項目：粉體物料低壓力氣力連續輸送系統應用研究【14C0402】的研究成果。

向東（1977-），男，湖南漢壽人，主要從事機械設計與制造方面的研究。