粉煤灰氣力輸送U型彎管沖蝕磨損規(guī)律研究

摘 要：【目的】研究粉煤灰氣力輸送過程中灰塵顆粒對U型彎管的沖蝕磨損特性和顆粒運(yùn)動情況。【方法】利用fluent軟件中的DPM模型對U型彎管氣力運(yùn)輸過程進(jìn)行沖蝕磨損分析，通過建立U型彎管的數(shù)學(xué)和物理模型，分別針對不同的氣體進(jìn)口速度、灰塵顆粒粒徑、顆粒質(zhì)量流量和U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。【結(jié)果】結(jié)果表明，當(dāng)氣體進(jìn)口速度、顆粒質(zhì)量流量增大時，最大沖蝕速率逐漸增大，且增長幅度明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)彎曲率半徑增大時，最大沖蝕速率減小；當(dāng)顆粒粒徑增大時，最大沖蝕速率呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的趨勢。【結(jié)論】研究成果可為U型彎管的設(shè)計和維護(hù)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：氣力輸送；沖蝕速率；U型彎管；數(shù)值模擬

中圖分類號：TB126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0037-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.008

Study on Erosion and Wear Law of U-bend During the Pneumatic

Conveying of Coal Fly Ash

WEI Hongzheng WANG Long LI Rui

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： [Purposes] The objective of this study is to study the erosion and wear characteristics and particle movement of dust particles on U-bend during the pneumatic conveying of coal fly ash.[Methods] The DPM model in fluent software was used to analyze the erosion and wear of the U-bend during the pneumatic conveying of coal fly ash， and the mathematical and physical models of the U-bend were established to numerically simulate and analyze the gas inlet velocity， dust particle size， particle mass flow rate and the radius of the U-bend bending.[Findings] The analysis results show that the maximum erosion rate increases gradually when the gas inlet velocity and particle mass flow rate increase， and the increase range is obvious. When the radius of rotational curvature increases， the maximum erosion rate decreases. When the particle size increases， the maximum erosion rate shows a trend of first increasing， then decreasing， and finally increasing.[Conclusions] The conclusions obtained can provide technical support for the design and maintenance of U-bend.

Keywords： pneumatic conveying; erosion rate; U-bend; numerical simulation

0 引言

氣力輸送又稱氣流輸送，是利用氣體流動時的能量帶動顆粒狀物料傳輸?shù)囊环N方法。目前，氣力輸送已廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)［1-2］。然而，在氣力輸送的運(yùn)作過程中，顆粒與管道內(nèi)部的摩擦和碰撞難以避免。這種物理作用會導(dǎo)致管道沖蝕磨損，特別是彎管部分。因此，研究不同情況下彎管的沖蝕磨損規(guī)律具有重要意義。

沖蝕磨損是一個復(fù)雜現(xiàn)象，其影響因素眾多。為了深入研究彎管中沖蝕磨損的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入探討，旨在揭示彎管沖蝕的機(jī)理，并尋求相應(yīng)的解決方案。Finnie［3-4］通過研究認(rèn)為塑性材料沖蝕磨損的主要原因是微切削。彭方現(xiàn)等［5］研究了流速、顆粒質(zhì)量流量及其形狀等3種因素對T型管道沖蝕的影響作用。莫麗等［6］研究了不同長寬比的平橢圓彎管的沖蝕磨損規(guī)律。許留云等［7］利用DDPM模型研究了氣力輸送中直角彎管的沖蝕規(guī)律。李方淼［8］研究了固液兩相流情況下，不同參數(shù)對U型管沖蝕的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對管道沖蝕進(jìn)行了較多研究，但是在氣固兩相流動領(lǐng)域，對U型彎管的沖蝕磨損研究還較少。因此，本研究對氣力輸送過程中U型彎管的沖蝕磨損規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模型介紹

1.1 理論模型

顆粒在與壁面碰撞時會有能量損失，因而其反彈速度要比進(jìn)入時的速度慢。為了描述顆粒在與壁面碰撞后其運(yùn)動狀態(tài)的變化，引入了彈性恢復(fù)系數(shù)的概念。由于運(yùn)輸管道材質(zhì)多為碳鋼，所以采用Tabakoff模型，恢復(fù)系數(shù)的計算見式（1）和式（2）。

[en=0.993-0.030 7θ+0.000 457θ2-0.000 002 61θ3] （1）

[et=0.988-0.029θ+0.000 642θ2-0.000 003 56θ3] （2）

沖擊角函數(shù)采用分段線性函數(shù)的表示方法，角度和對應(yīng)的函數(shù)值分別為0°函數(shù)值0.0，20°函數(shù)值0.8，30°函數(shù)值1.0，45°函數(shù)值0.5，90°函數(shù)值0.4；粒徑函數(shù)采用常數(shù)表示，取1.8×10-9；速度指數(shù)函數(shù)也采用常數(shù)表示，取2.6。

Fluent內(nèi)置的沖蝕模型有Generic Model、Finne、McLaury、Oka、DNV等5種，這些模型可以應(yīng)對大部分工程的沖蝕問題。綜合考慮后，選擇Generic Model模型作為計算的沖蝕模型。沖蝕速率ER的計算公式見式（3）。

[ER=p=1NmpC（d）f（θ）vb（v）Aface] （3）

式中：[mp]為沖擊顆粒的質(zhì)量流率；[Cd]為顆粒的直徑函數(shù)；[fθ]為碰撞角度函數(shù)，即沖擊角函數(shù)；[v]為顆粒相對速度；[bv]為顆粒相對速度函數(shù)；[Aface]為壁面面積。

1.2 物理模型

本研究計算用到的U型彎管的物理模型如圖1所示。圖1中D為U型彎管通徑，取50 mm；R為U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑，數(shù)值模擬時空氣與顆粒采用左進(jìn)右出的設(shè)置方式。U型彎管入口處直管段和出口處直管段長度均為500 mm。

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

選用掃掠的方法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。對網(wǎng)格添加5層邊界層，并且對U型彎管轉(zhuǎn)彎處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

在數(shù)值模擬計算時，連續(xù)相是空氣，密度取1.225 kg/m3，黏度取1.789 4×10-5 kg/m·s。離散相是粉煤灰顆粒，經(jīng)檢測粉煤灰顆粒密度取2 100 kg/m3。進(jìn)出口邊界條件選擇velocity-inlet和pressure-outlet，管道壁面條件選擇wall，湍流模型選擇RNG k-?模型。在injection中設(shè)置顆粒相關(guān)屬性，考慮顆粒和空氣間的雙向耦合作用，顆粒入射方式選擇面入射，入射面與空氣進(jìn)口一致，顆粒速度與空氣速度也保持一致。入射顆粒采用均勻粒徑設(shè)置，忽略不同粒徑參數(shù)對沖蝕的影響。求解器選擇半隱式SIMPLE算法，動量和湍動能采用二階迎風(fēng)離散格式。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 氣體流速對沖蝕的影響

圖3展示了顆粒粒徑、入口顆粒質(zhì)量流量和U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑分別為0.1 mm、0.001 kg/s、200 mm不變，粉煤灰顆粒與空氣同速時，不同空氣流速對管壁最大沖蝕速率的影響。由圖3可知，隨著流速的升高，顆粒對U型彎管的沖蝕加劇。速度升高后，顆粒具有的動能增大，加重了對管壁的沖蝕磨損。圖4為空氣流速分別為14、18、22、26 m/s時管壁的沖蝕云圖。經(jīng)過沖蝕后，U型彎管入口與彎管連接部位沖蝕嚴(yán)重，形成了一個橢圓形的沖蝕帶。其中，中心區(qū)域的沖蝕程度較為嚴(yán)重，而邊緣區(qū)域的沖蝕程度則相對較輕，并且在直管靠近彎管的部位，也形成了兩個長條形的沖蝕區(qū)域。此外，彎管外壁形成了一個長條形的沖蝕帶，這是由于固體顆粒在離心力的作用下都靠近管道外側(cè)流動，顆粒與管壁會發(fā)生多次碰撞和摩擦，造成U型彎管轉(zhuǎn)彎處外壁沖蝕。圖5為空氣流速是14 m/s時，U型彎管中心截面上的速度云圖。灰塵顆粒軌跡如圖6所示。

2.2 顆粒粒徑對沖蝕的影響

為了研究不同顆粒粒徑對U型彎管沖蝕速率的影響，當(dāng)質(zhì)量流量為0.001 kg/s，顆粒與氣流速度為14 m/s和U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑為200 mm時，取顆粒粒徑0.1～1.2 mm進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)顆粒粒徑在0.5 mm以內(nèi)時，最

大沖蝕速率隨著顆粒粒徑的增大快速升高，這是由于當(dāng)顆粒粒徑增大時，顆粒質(zhì)量隨之增加，速度不變則單個顆粒所具有的動能增加，從而對管壁造成更大的沖蝕；當(dāng)顆粒粒徑為0.5～0.8 mm時，最大沖蝕速率有所下降，在粒徑為0.8 mm時得到一個最大沖蝕速率的極小值。這是因為隨著顆粒粒徑的增大，顆粒間相互碰撞加劇，能量損失增加，顆粒自身的能量下降，從而對管壁的沖蝕作用有所緩解［9］。當(dāng)顆粒粒徑繼續(xù)增加時，最大沖蝕速率也隨之增加，但增速減緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，隨著顆粒粒徑繼續(xù)增大，粒子動能隨之增加所以沖蝕速率加快。但是入口顆粒質(zhì)量流量并未增加，單位時間內(nèi)流入的顆粒數(shù)量相應(yīng)減少，顆粒與管壁碰撞次數(shù)下降，因此最大沖蝕速率隨著粒徑的增大而增速變小。并且隨著顆粒粒徑的增大，直管靠近彎管部位的長條形沖蝕區(qū)域漸漸變淡。

2.3 質(zhì)量流量對沖蝕的影響

針對控制氣流速度為14 m/s、顆粒粒徑為0.1 mm和轉(zhuǎn)彎曲率半徑為200 mm不變的情況，改變?nèi)肟陬w粒的質(zhì)量流量進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8。由圖8可知，隨著質(zhì)量流量的增大，管壁最大沖蝕速率幾乎呈直線上升，然而沖蝕形貌沒有改變。這是由于顆粒質(zhì)量流量增大時，相應(yīng)的顆粒個數(shù)增加，這將直接導(dǎo)致顆粒與管壁的碰撞次數(shù)增多，從而加快了對管壁的沖蝕作用。但是顆粒的運(yùn)動軌跡相似，故不會對管壁的沖蝕區(qū)域產(chǎn)生影響。

2.4 U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑對沖蝕的影響

當(dāng)進(jìn)口速度為14 m/s、顆粒粒徑為0.1 mm及質(zhì)量流量為0.001 kg/s時，轉(zhuǎn)彎曲率半徑分別取200、250、300、350、400、450 mm，計算結(jié)果如圖9所示。隨著轉(zhuǎn)彎曲率半徑的增大，最大沖蝕速率呈現(xiàn)先快速減小后減小變緩的趨勢。這是由于當(dāng)U型彎管的轉(zhuǎn)彎曲率半徑增加時，顆粒在轉(zhuǎn)彎處受到的離心力會減小，那么顆粒對管壁的沖蝕速率也會相應(yīng)減小。

3 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬的方法對U型彎管沖蝕磨損規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①通過計算得出粉煤灰顆粒在U型彎管中的運(yùn)動軌跡，U型彎管的沖蝕形貌以及沖蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。②入口空氣速度、顆粒質(zhì)量流量增加時，U型彎管受到的沖蝕加劇，最大沖蝕速率升高。入口直管與彎管連接部位沖蝕現(xiàn)象加重，沖蝕形貌保持不變。③U型彎管最大沖蝕速率隨著顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的變化規(guī)律，中心沖蝕區(qū)域基本保持不變，但是長條形沖蝕區(qū)域會慢慢變淡。④當(dāng)U型彎管轉(zhuǎn)彎曲率半徑增大時，最大沖蝕速率減小，且隨著轉(zhuǎn)彎曲率半徑的增大，其減小的趨勢開始變緩，沖蝕形貌幾乎不變。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉洛航.豬舍飼料氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計及管道沖蝕磨損研究［D］.南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

［2］俞煙婷，孫志怡，楊道龍.煤炭氣力輸送的發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021，57（3）：216-217.

［3］FINNIE I. Some observations on the erosion of ductile metals［J］. Wear， 1972， 19（1）： 81-90.

［4］FINNIE I. Erosion of surfaces by solid particles［J］. Wear， 1960， 3（2）： 87-103.

［5］彭方現(xiàn)，閆宏偉，李亞杰，等.T型管道的沖蝕磨損數(shù)值模擬分析［J］.當(dāng)代化工，2020，49（3）：733-736，752.

［6］莫麗，郭振興.平橢圓彎管沖蝕磨損數(shù)值模擬［J］.石油機(jī)械，2022，50（1）：137-144.

［7］許留云，武浩冬，王嘉順.基于DDPM模型的氣力輸送彎管沖蝕模擬［J］.化工科技，2023，31（3）：20-25.

［8］李方淼.U型彎管沖蝕數(shù)值模擬［J］.石油和化工設(shè)備，2024，27（1）：23-27.

［9］王博，郭海瑩，耿孝恒，等.氣固混合流對集輸管道彎管的沖蝕模擬［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，47（1）：46-52.