顆粒粒徑對Y型供料器內流場影響的CFD模擬

劉鎮業，柳波，張曉儀，李東暉

（中南大學 機電工程學院，長沙 410083）

0 引言

近年來，我國把生態文明建設放在了突出的地位，對環境保護越發重視，因此新能源汽車產業得到了蓬勃發展。然而新能源產業運用最廣泛的是儲能材料，因此儲能材料的需求越來越緊迫。儲能材料屬于微米級粉體材料，其生產加工過程與其他粉體材料相似，都存在易揚塵、輸送效率低、損耗大等問題。長時間工作在儲能材料粉體彌漫的環境中，會對人的身心健康造成極大的安全隱患，需要有效地解決儲能材料生產加工過程中的輸送問題，從根本上杜絕材料揚塵、粉體受到空氣影響而易變質等問題，并且提高生產效率與質量，降低勞動強度，氣力輸送在這方面問題的解決上體現了巨大的優勢[1]。

Y型供料器作為氣力輸送的重要裝置，雖然有些學者已對Y型供料器內流場有了一定的研究并提出了一些改進，但還存在一定的不足。

為解析Y型供料器內氣固混合情況，國內外研究人員進行了深入的研究。Fei Yan等[2-3]利用實驗探究了供料器氣固兩相混合階段的流場情況，揭示了Y型供料器中軟翅片的長度對流場的影響。鮑仲輔[4]研究了顆粒堆積的問題，并對供料器結構進行了優化工作。肖益民[5]針對Y型喉管出處的流場不均勻及顆粒聚集問題，提出了橫板優化方案。吳中鼎[6]針對氣固混合過程中顆粒碰撞對出口動壓的影響進行了研究。綜上所述，國內外許多學者對Y型供料器內流場研究取得了一定的研究成果，但研究方向主要集中在Y型供料器的結構上，對于顆粒粒徑造成氣固混合流場的影響的研究較少，本文通過歐拉-拉格朗日模型[7]來研究Y型供料器內氣固混合情況，并重點研究顆粒粒徑對流場分布的影響。

1 模型的建立

1.1 物理模型

圖1為Y型供料器的結構示意圖。如圖1所示，包括氣體入口、顆粒入口和混合出口。D1為氣體入口管道直徑（為50 mm），D2為顆粒入口管道直徑（為50 mm），H為顆粒入口處到水平管上部之間的高度（75 mm），L1為水平管道長度（400 mm），L2為氣體入口與氣固交匯處的距離（81 mm），且入射顆粒管道與水平管道的角度α為45°。氣體從左側入口進入，顆粒從上側入口進入，顆粒與氣體在Y型供料器內實現混合，混合后，氣體、顆粒兩相從Y型供料器的出口流出。顆粒為儲能材料粉體顆粒，靠重力從顆粒入口下落，氣固兩相的主要物理屬性和設置參數如表1所示。

表1 氣固兩相主要物理屬性和設置參數

圖1 Y 型供料器結構示意圖

1.2 數學模型

本文采用Fluent中的DPM模型來研究顆粒粒徑對Y型供料器流場影響，DPM模型采用歐拉坐標系描述氣相運動，用拉格朗日坐標系描述離散相顆粒的運動。氣相是連續性的，可用歐拉連續方程來表示，因為本文未考慮溫度場，所以不需要考慮氣相的能量方程；顆粒相是離散的，在拉格朗日坐標系下利用牛頓第二定律方程來描述顆粒的運動，那么就需要確定顆粒在管道流場中受到的力。

1.2.1 氣相控制方程

連續性方程如下：

式中：Δt表示時間步長，s；Fi在本仿真模擬中包含Magnus力。

1.2.2 固相控制方程

對固相顆粒軌跡的研究能更好地了解顆粒的運動情況，這些都有助于提高計算精度，顆粒的軌跡研究需要從顆粒受力作為切入點。本次模擬仿真顆粒皆為球形顆粒，顆粒在流場中受到等效重力，空氣對顆粒的曳力，Magnus力（與重力的數量級相差大約10%[8]）。忽略壓力梯度力、虛擬質量力、Basset力[9]。

由顆粒的受力平衡和慣性得出離散相的顆粒運動方程如下：

1.2.3 邊界條件設置

在CFD計算中，采用壓力型求解器，氣體入口壓力為標準大氣壓，采用DPM離散相模型，realizable k-epsilon湍流模型，在顆粒入口設置DPM面射流源，材料屬性為惰性顆粒，具體參數如表1所示，顆粒與管道壁面的靜摩擦因數為0.5，與管道碰撞后的彈性恢復系數為0.7；為了獲得顆粒在流場中軌跡變化，故采用穩態模擬。模擬所采用的邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件設置

2 結果與討論

為了深入探究顆粒粒徑對Y供料器內氣固混合階段流場的影響，本研究首先分析粒徑為10 μm的顆粒在氣固兩相混合階段流場壓降變化，再分析顆粒在整個氣固混合過程中軌跡變化情況與出口速度分布，最后通過分析不同顆粒粒徑對流場壓降變化趨勢及顆粒出口速度的仿真結果，找出顆粒粒徑對Y型供料器內流場變化的影響規律。

2.1 Y型供料器流場分析

圖2為Y型供料器中心平面上靜壓分布，在水平管中的前端，靜壓基本沒有變化，在氣固交匯處與氣固混合區有明顯的下降。

圖3為水平管道中心線靜壓變化曲線圖，從該曲線可以看出在氣固混合區靜壓損失明顯。

結合圖2與圖3分析，水平管道前端靜壓基本沒有變化是因為此處只存在氣相，基本沒有固相顆粒的存在，故能量在此處基本沒有損失。在120～150 mm處靜壓發生急速下降，是因為此處為氣固交匯區，固相顆粒受重力作用與壁面反彈后，進入水平管道與氣相相遇，此時固相顆粒速度與氣相速度的速差較大，二者之間會發生強烈的能量交互，能量損失較大，后半段由于固相顆粒獲得加速以后與氣相能量交換趨勢減弱，所以靜壓下降趨勢也有所減弱。

圖2 Y型供料器中心平面上靜壓分布

圖3 水平管道中心線靜壓變化曲線圖

圖4為Y型供料器內固相顆粒軌跡圖，10 μm的顆粒從上方進料口進入管道后，在重力與Magnus力及曳力的共同作用下，顆粒與管道壁面發生碰撞后沿著類拋物線的方式進入水平管道中，在擊穿氣流層后與水平管道下壁面發生碰撞，在反彈以后與氣流一起輸送。

圖4 不同顆粒在Y型供料器內的軌跡圖

圖5為Y型供料器中心平面上氣速分布圖，顆粒從上方管道進入水平管道以后，固相顆粒與氣相發生能量交換。從圖中可以看出，在氣固交匯處的水平管底部氣相速度增大是由于大量固相顆粒進入水平管道占據了空間，導致流體面積減小，由流體方程可知，在保持同樣的流量情況下，通截面積減小，流速便會增大。

圖5 Y型供料器中心平面氣速分布圖

圖6為水平管道中心線上氣相速度變化曲線圖，從圖中可以明顯看出氣相先增加、后急速下降、再緩慢增加的趨勢，這正是因為大量固相顆粒受重力與壁面碰撞反彈共同作用下從上方管道進入水平管道后，阻礙了氣相的流動，導致氣相速度降低，后半段由于壓差存在及混合均勻的原因導致氣速恢復上升。

圖6 水平管道中心線氣相速度變化曲線圖

圖7 為Y型供料器中心平面上固相顆粒速度分布圖，從圖中可以看出固相顆粒的速度逐漸增大，在出口處速度達到最大，說明固相顆粒從入口管道進入水平管道后由于氣固速度差較大，在流體曳力的作用下進行加速。

圖7 中心平面固相顆粒速度分布圖

2.2 不同顆粒粒徑下流場分析

根據上述分析，不同顆粒粒徑對顆粒的軌跡有一定的影響。軌跡不同，就會造成壓降的變化和顆粒出口速度的變化。在保持其他參數不變的情況下，改變不同的顆粒粒徑進行數值仿真與分析。顆粒粒徑變化范圍為2～50 μm，本文選用的顆粒粒徑為2、5、10、20、30、40、50 μm等7種情況進行仿真，從中分析顆粒粒徑對流場的影響規律。

圖8為氣相入口到出口之間的壓降與顆粒粒徑關系圖，從圖中可以看出2 μm顆粒壓降較大，50 μm顆粒壓降較小。從曲線變化趨勢可以看出，隨著顆粒粒徑的變大，靜壓壓降逐漸減小，壓降的降低趨勢也越來越平緩。而壓降越大，越不利于水平管道中顆粒的輸送，容易造成顆粒在管道中堆積，而顆粒在管道中的堆積也會對顆粒從入口下落的效率造成影響。

圖8 壓降與顆粒粒徑關系圖

管道物料是否堆積除了受靜壓壓降的影響外，還受顆粒輸送速度的影響，因為Y型供料器出口面上顆粒速度是影響整個系統輸送速度的關鍵因素，該速度越大，管道越不容易堆積。因此需要研究顆粒粒徑對水平管道出口面上顆粒速度的影響。在考慮顆粒在出口截面上速度分布時，需要定義一個截面垂向距離的參數，它表示為截面垂向方向上點位置到管道中軸線的距離。由圖9可知，隨著顆粒粒徑的增大，顆粒出口速度越小，從圖中各條曲線的變化規律可知：顆粒粒徑在2～20 μm范圍內時，顆粒在出口面徑向距離上呈現出管道上半部速度大于下半部速度，說明粒徑較小，在氣相的加速下主要懸浮在水平管道的上半部分；顆粒粒徑在30～50 μm的范圍內時，顆粒在出口面徑向距離上呈現出管道上半部速度小于下半部速度，說明粒徑較大時，顆粒穿過氣流層主要懸浮在水平管道的下半部分。

圖9 顆粒粒徑和顆粒出口速度關系圖

3 結論

本文通過借助Fluent 軟件，利用DPM模型對Y型供料器內流場進行數值仿真分析，在此基礎上分析了不同顆粒粒徑尺寸對流場的影響，得到以下結論：

1）對Y型供料器內流場進行分析，得到了氣固混合區氣相與顆粒在管道內的流動情況，并分析得出顆粒粒徑尺寸對流場是有所影響的。

2）通過分析不同顆粒粒徑尺寸對Y型供料器壓降的影響，得出Y型供料器靜壓壓降、顆粒出口速度與顆粒粒徑之間曲線，結果表明，隨著顆粒粒徑的增大，壓降隨之降低，顆粒出口速度降低。