糧食顆粒密相輸送的數值模擬與分析

王東霞 喬書杰 劉一揚 劉玲玲 王雪梅

糧食顆粒密相輸送的數值模擬與分析

王東霞 喬書杰 劉一揚 劉玲玲 王雪梅

（鄭州財經學院機電與汽車工程學院，河南 鄭州 450044）

本文對糧食顆粒密相輸送系統進行合理的結構簡化，通過Gambit軟件建立幾何模型并劃分網格。以小麥顆粒為研究對象，基于Fluent對物料的運動特性和流場進行模擬分析，最終得出不同風速下輸送管道內部糧食顆粒的壓力及速度變化趨勢。

密相輸送；氣力輸送；氣固兩相流；數值模擬；糧食顆粒

密相輸送是氣力輸送的一種，是一種采用較低氣速、較高氣壓及較高的固氣比將物料形成栓塞狀沿固定管道進行輸送的方式。目前，密相輸送技術在糧食行業得到了廣泛應用，一定程度上改善了我國糧食“四散”中的散運問題。但是，密相輸送技術在糧食物料輸送方面的研究還不夠［1-3］。

1 密相輸送系統

密相輸送裝置有吸送式氣力輸送裝置、壓送式氣力輸送裝置及混合式氣力輸送裝置。本文數值模擬分析所采用的裝置是壓送式正壓氣力輸送裝置，該輸送裝置一般包含供料裝置、氣體供給裝置、輸送管道及氣固分離裝置等主要部分［4，5］，其結構簡圖如圖1所示。

2 模型的建立

2.1 幾何模的建立

圖1 壓送式密相輸送系統

幾何模型的建立是基于密相輸送實體設備的合理簡化，簡化部分主要包含水平管道、彎管及豎直管道，管道輸送管徑d=130mm，水平管道長L1=900mm，豎直管道L2=900mm，當彎管中心曲率半徑按彎徑比k（k=R/d）的取值范圍為1～3時，隨著彎徑比的增大，顆粒在彎管處的受力減小，碰撞減少，可降低糧食物料的破碎率，故而彎管中心曲率半徑取R=300mm，幾何模型如圖2所示。

圖2 簡化幾何模型

2.2 網格單元的劃分

網格是利用前處理軟件Gambit進行劃分。由于該平面二維模型較為簡單，物料流動符合管道幾何外形，因而，為了減少軟件計算數值耗散，可以采用大比率的四邊形單元合理劃分單元網格，且可以以最少的單元獲得更好的分析結果。單元網格劃分如圖3所示。

圖3 局部單元網格劃分

3 基于Fluent的密相輸送管道的數值模擬

網格單元劃分以后，將模型導入Fluent，讀入網格并檢查網格正確與否，檢查無誤后進行邊界條件設置，然后進行模擬仿真。

3.1 邊界條件設定

進行求解器設置時，選擇2D網格模式，Models選擇Multiphase-Eulerian；然后進行Multiphase Model的設置，湍流數值模型采用Viscous-Standard k-?；其后定義兩相流材料的物理屬性，本文定義兩相流為小麥和空氣；最后定義邊界條件，進口邊界設置為velocity-inlet，定義合適的進口速度、湍流動能I及水力直徑DH。出口邊界設置為pressure-outlet，需設置湍流動能I及水力直徑DH，墻邊界設置為wall保持默認即可，其中，湍流動能計算公式如下：

式（1）中：V 表示邊界流速，m/s；DH表示水力直徑，m。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 風速對管道內部糧食物料壓力的影響。由于散糧物料在管道內的流動主要與入口風速和散糧物料的密度相關，現以小麥密度ρ=375kg/m3，粘度μ=0.08 kg/（m.s），設置不同入口風速進行模擬仿真，糧食顆粒所受壓力變化云圖如圖4、圖5所示。

圖4 V入=20m/s時小麥物料的內部壓力圖

圖5 V入=40m/s時小麥物料的內部壓力圖

由圖4、圖5可知，小麥物料在輸送管道入口中心處所受壓力最大，在水平段內隨著輸送距離增大逐漸減小，且管道底部的物料受力較小；在彎管部分，彎管上部糧食物料的受力較大，這主要是由糧食物料與管壁的碰撞摩擦及物料堆積引起的；在豎直管內，隨著輸送高度增大，糧食物料所受壓力增大，變化幅度較小。

風速由20m/s至40m/s變化過程中，糧食顆粒所受最大壓力如表1所示。

表1 不同風速下糧食物料所受最大壓力

從表1可以發現，當其他條件不變時，輸送管內氣體速度從20～40m/s變化的過程中，小麥顆粒所受到的壓力隨著入口風速增大不斷增加。

3.2.2 風速對管道內部糧食物料速度的影響。管道內部糧食物料速度變化云圖如圖6、圖7所示。

圖6 V入=20m/s時小麥物料的速度變化

圖7 V入=40m/s時小麥物料的速度變化

由圖6、圖7可知，小麥物料在輸送管道入口中心處速度最快，在水平段內隨著輸送距離增大，速度減小，且管道底部的小麥物料速度較小，管道上半部的速度較大，這主要受糧食物料與管壁摩擦力的影響，尤其在管道底部還受物料坍塌的影響，故而速度較低。在彎管部分，糧食物料的速度逐漸降低；在豎直管內，隨著輸送高度增加，糧食物料的速度增大，變化幅度較小。

風速由20m/s至40m/s變化過程中，糧食顆粒速度變化如表2所示。

表2 不同風速下內部彎道下糧食物料速度

從表2可以發現，當其他條件不變時，輸送管內氣體速度從20～40m/s變化的過程中，小麥顆粒在彎道處的速度隨著入口風速的增大而增大。

4 結論

保持其他條件不變，只改變入口風速，對糧食物料密相輸送整體管道的仿真分析結果如下。

①水平管道內，隨著入口風速的增大，其內部糧食物料隨輸送距離增大，壓力及速度不斷降低，且管道底部受物料坍塌及其與管壁摩擦力的影響，物料所受壓力及速度較低。

②豎直管道內，受物料重力及氣體向上懸浮力的影響，料栓不斷形成及潰散，故而隨高度增大，其壓力及速度隨之增大。

［1］王明旭，秦超，李永祥，等.氣力輸送過程中糧食顆粒的輸送特性研究［J］.農機化研究，2014（9）：18-22.

［2］王錕，潘洪利，劉宗明.濃相氣力輸送分支管道分流特性的數值模擬［J］.濟南大學學報，2013（3）：303-308.

［3］李志華，彭宗祥，周云杰，等.散狀物料在氣力輸送管道中的密相流動數值模擬與分析［J］.硫磷設計與粉體工程，2012（5）：32-35.

［4］楊軍偉，張俊嶺，荊海偉.密相栓流脈沖氣力輸送系統工藝設計［J］.工藝設備，2014（2）：25-27.

［5］董中華.氣力輸送系統及其設計［J］.化工裝備技術，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

河南省教育廳高等學校重點科研項目（15A460045）；河南省科技廳重點科技攻關項目（152102110071）。

王東霞（1982-），女，碩士，講師，研究方向：糧食機械結構優化。