基于離散元耦合法的氣力輸送管道壁面磨損分析

【摘" " 要】：為了研究不同生活垃圾氣力輸送管道參數(shù)對(duì)管道壁面磨損的影響情況，采用計(jì)算流體力學(xué)——離散元耦合法（CFD-DEM）進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析管道彎轉(zhuǎn)角度、彎徑比及進(jìn)出口長(zhǎng)度比3種因素對(duì)彎管磨損的影響并對(duì)氣力輸送管道內(nèi)的氣體流動(dòng)特性、生活垃圾的運(yùn)動(dòng)分布和碰撞信息等進(jìn)行研究。結(jié)果表明：管道磨損隨著彎曲角度及彎轉(zhuǎn)半徑的增大而減??；進(jìn)出口長(zhǎng)度比為2∶1時(shí)生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的管道磨損程度小于進(jìn)出口長(zhǎng)度比1∶2、1∶1時(shí)。

【關(guān)鍵詞】：氣力輸送；生活垃圾；管道磨損

【中圖分類號(hào)】： X799.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）01-38-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.010

Analysis on Wear of Pneumatic Conveying Pipeline Based on CFD-DEM Method

SU Pengyu1， LINGHU Yan2， ZHENG Kunlong2， LIU Xiaomin1， ZHOUJunlong1， ZHAO Yun1， XU Yunlong1，

CHEN Yunhong3

（1.China Construction Sixth Engineering Bureau Co.，Ltd，Tianjin300171，China;2.China State Construction Silk Road Investment

Co. Ltd.，Xi’an710061，China;3.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

【Abstract】： In order to study the influence of different parameters of domestic waste pneumatic conveying pipelines on the wear of pipeline walls， the CFD-DEM method was used to numerically simulate the wear of the elbows， focusing on the analysis of the influence of three factors on the wear of the elbows， such as the bending angle， the ratio of bending diameter and the ratio of the length of the inlet and outlet of the pipeline， and the gas flow characteristics in the pneumatic transmission pipelines， the motion distribution of domestic waste and the collision information were studied. The results show that the wear of the pipe decreases with the increase of bending angle and bending radius. The wear of the inlet and outlet length ratios of 2∶1， the wear degree of the pipeline of the domestic waste pneumatic conveying system was smaller than the inlet and outlet length ratio was1∶2，1∶1.

【Key words】： pneumatic conveying；domestic waste； pipeline wear

生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)是一種利用氣體流場(chǎng)內(nèi)部壓力差進(jìn)行生活垃圾運(yùn)輸?shù)男滦突厥昭b置，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾全封閉、集裝化收運(yùn)，具有高效、節(jié)能及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是城市垃圾收運(yùn)的發(fā)展方向。管壁磨損是氣力輸送系統(tǒng)中較難解決的問(wèn)題，由于生活垃圾組成較為復(fù)雜，管道內(nèi)易產(chǎn)生不同程度的磨損。李少凡[1]以管道材質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，分析了不同材質(zhì)鋼管在降低磨損方面的優(yōu)劣勢(shì)。楊春彬[2]則基于EDEM-Fluent耦合平臺(tái)模擬氣力輸送，從顆粒放置方式、管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣體流動(dòng)條件3方面研究管壁磨損的規(guī)律。許磊[3]采用CFD-DEM-SIEM方法預(yù)測(cè)分析氣力輸送系統(tǒng)管道內(nèi)的沖蝕磨損，驗(yàn)證了計(jì)算方法、彈性恢復(fù)系數(shù)、摩擦系數(shù)及顆粒密度等彎管磨損預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

目前，對(duì)于生活垃圾氣力輸送管道磨損的研究主要集中在管件磨損量，對(duì)彎管易磨損位置的優(yōu)化研究相對(duì)較少。本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模型從彎轉(zhuǎn)角度、彎徑比及進(jìn)出口長(zhǎng)度比3方面分析不同因素對(duì)管道磨損的影響程度，尋找系統(tǒng)管道的合理布置方式，以減少關(guān)鍵位置磨損，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 參數(shù)設(shè)定

選取天津中新生態(tài)城的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。氣力輸送系統(tǒng)的管道內(nèi)徑為0.5 m，抽吸垃圾時(shí)間為5 s，垃圾桶內(nèi)部容積為0.5 m3，管道材質(zhì)為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼管，管道中的氣體為空氣，氣流速度為22 m/s，可求得氣體流量為3.925 m3/s。自然狀態(tài)下垃圾空隙率選擇為50%，垃圾桶內(nèi)垃圾體積為0.25 m3，得到垃圾在輸送過(guò)程中的體積流量及質(zhì)量流量分別為0.05 m3 /s和24.4 kg/s，此外生活垃圾密度取88 kg/m3[4]。在氣固兩相流中，生活垃圾受到的作用力較為復(fù)雜，包括重力、曳力、升力等，本文只考慮重力和曳力的影響。氣固兩相流中氣相計(jì)算采用Fluent軟件，選取Standard k-epsilon計(jì)算模型求解湍流流場(chǎng)。模型入口和出口分別設(shè)置為速度入口和壓力出口，壓力及速度耦合采用Simple算法；重力加速度取9.81 m/s2。

EDEM 軟件內(nèi)生活垃圾之間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型，生活垃圾與氣力輸送管道壁面之間采用Hertz-Mindlin with Archard Wear磨損模型[5]及Relative Wear磨損模型，其中生活垃圾氣力輸送數(shù)值模擬的磨損系數(shù)為5×10-11，簡(jiǎn)化模型為100 mm粒徑的單球顆粒。見(jiàn)表1。

1.2 典型工況選取

從彎轉(zhuǎn)角度、彎徑比及進(jìn)出口長(zhǎng)度比3方面分析不同因素對(duì)管道磨損的影響程度。見(jiàn)表2。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 氣固兩相的流動(dòng)特性及管道磨損特性

2.1.1 流動(dòng)特性分析

氣力輸送管道內(nèi)部沿程壓力逐漸降低，彎管入口和出口處之間管道的壓力損失較大。這是由于彎管處生活垃圾堆積導(dǎo)致的生活垃圾-生活垃圾及生活垃圾-管道壁面之間產(chǎn)生碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生較大的壓力損失。見(jiàn)圖1。

由于空氣的推動(dòng)作用，生活垃圾在氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)的平均速度變化較不均勻，同時(shí)存在加速和減速。生活垃圾的加速源自空氣的運(yùn)輸作用，而當(dāng)生活垃圾運(yùn)動(dòng)到彎管部位時(shí)產(chǎn)生堆積并形成顆粒繩[6]，導(dǎo)致彎管部位的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，垃圾-垃圾、垃圾-壁面之間的碰撞摩擦及彎管阻力等作用，共同導(dǎo)致生活垃圾做減速運(yùn)動(dòng)。因此，在生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)里，空氣作為生活垃圾的運(yùn)輸動(dòng)力發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，管壁的碰撞摩擦及彎管阻力也對(duì)生活垃圾的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。見(jiàn)圖2。

垃圾-管道間的碰撞多于垃圾-垃圾間的碰撞，具體表現(xiàn)為彎管部分生活垃圾聚集，由于生活垃圾與輸送管道之間接觸較多，因此碰撞次數(shù)較多。見(jiàn)圖3。

2.1.2 磨損特性

管道的法向累積接觸力和切向累積接觸力抽吸時(shí)間0～5 s內(nèi)都隨時(shí)間的增加而增大，但切向累積接觸力的增加趨勢(shì)遠(yuǎn)大于法向累積接觸力的變化趨勢(shì)，反映出生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)管道的磨損更多來(lái)自垃圾-管道的摩擦。見(jiàn)圖4。

將彎管分為前后等長(zhǎng)度的2部分，分別統(tǒng)計(jì)垃圾-壁面碰撞信息，可以得出：彎管部位后部的碰撞次數(shù)大于彎管部位前部的碰撞次數(shù)。說(shuō)明顆粒繩存在于彎管下半部分，當(dāng)顆粒繩形成后，生活垃圾與氣力輸送管道壁面的碰撞隨之發(fā)生；當(dāng)顆粒繩分散，即生活垃圾離開(kāi)彎管部位之后，顆粒繩消失，碰撞次數(shù)隨之減少。見(jiàn)圖5。

2.2 管道彎曲角度對(duì)氣力輸送管道磨損影響

氣力輸送管道的磨損集中于彎管處，系統(tǒng)最大磨損深度隨著彎曲角度的增加而減小。彎曲角度為90°、120°、150°時(shí)，管道最大磨損深度分別為4.22×10-3、3.37×10-3、2.64×10-3 mm。這是由于彎曲角度較小時(shí)，生活垃圾受氣體作用直接撞擊管道壁面，導(dǎo)致較大磨損；當(dāng)彎曲角度增大時(shí)，氣體方向變化較為平緩，生活垃圾和管道壁面的碰撞次數(shù)減少，進(jìn)而減小了磨損深度。見(jiàn)圖6。

不同彎曲角度下生活垃圾氣力輸送管道最大磨損深度隨時(shí)間的增加而增大，彎曲角度越大，相同時(shí)間內(nèi)管道的最大磨損深度越小。隨著管道彎曲角度的增大，生活垃圾進(jìn)入管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變得較平緩，垃圾進(jìn)入方向和彎管切線間的角度變小，在彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，垃圾-壁面碰撞造成的能量損失減小，表現(xiàn)為管道磨損減小。見(jiàn)圖7。

2.3 管道彎轉(zhuǎn)半徑對(duì)氣力輸送管道磨損影響

管道的平均法向累積接觸力隨著時(shí)間的增加而增大，說(shuō)明管道的平均磨損隨時(shí)間增加而增大。彎轉(zhuǎn)半徑越大，相同時(shí)間下平均法向累積接觸力越小，說(shuō)明彎徑比越大，相同時(shí)間下管道的磨損深度越小的準(zhǔn)確性。見(jiàn)圖8。

不同彎轉(zhuǎn)半徑下生活垃圾氣力輸送管道的平均切向累積力的變化趨勢(shì)和法向累積力的變化趨勢(shì)類似，均為隨時(shí)間的增加而增大。不同的是，相同時(shí)間下管道受到的平均切向累積力大于平均法向累積力，說(shuō)明管道內(nèi)受到來(lái)自生活垃圾的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致的磨損較大。見(jiàn)圖9。

綜上所述，彎轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，氣體在彎管的流向改變較為緩和。由于生活垃圾的運(yùn)輸動(dòng)力源于氣體壓力，說(shuō)明生活垃圾較好地適應(yīng)了管道內(nèi)的氣體環(huán)境，垃圾在彎管處運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，導(dǎo)致了垃圾和管壁間的碰撞次數(shù)減少，生活垃圾氣力輸送管道的磨損減小。

2.4 管道進(jìn)出口長(zhǎng)度對(duì)氣力輸送管道磨損影響

不同進(jìn)出口長(zhǎng)度比下生活垃圾氣力輸送管道的最大磨損深度的變化趨勢(shì)均為隨時(shí)間的增加而增大。長(zhǎng)度比為1∶1時(shí)管道磨損最為明顯，1∶2時(shí)管道磨損程度有所緩和，2∶1時(shí)管道磨損程度最小。見(jiàn)圖10。

進(jìn)出口長(zhǎng)度比為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)，生活垃圾與彎管碰撞數(shù)分別為55、95、57次，與最大磨損深度變化趨勢(shì)一致，印證了最大磨損深度為彎管處的分析結(jié)果。見(jiàn)圖11。

此外，由于垃圾-垃圾及垃圾-入口管道碰撞的影響，隨著進(jìn)出口長(zhǎng)度比的增加，彎管入口處生活垃圾平均速度下降。進(jìn)出口長(zhǎng)度比為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)，彎管入口處生活垃圾平均速度分別為9.11、8.41、8.16 m/s。

管道磨損方程[7]

[E=MpKFαVp]n （1）

式中：E為管道磨損量，mm；Mp為固體顆粒質(zhì)量，kg；K為與顆粒性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，取1.8×10-9；F（α）為沖擊角函數(shù)，取1；Vp為顆粒相對(duì)管壁速度，kg/s；n為速度指數(shù)

由式（1）可知，在顆粒及其初始流場(chǎng)條件一致的情況下，管道磨損量與顆粒相對(duì)管壁速度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，即管道磨損量隨著顆粒與管壁相對(duì)速度的增大而增加，因此管道磨損量不僅與垃圾顆粒與管道的碰撞次數(shù)有關(guān)，也與產(chǎn)生碰撞時(shí)生活垃圾與管道的相對(duì)速度有關(guān)。

當(dāng)進(jìn)出口長(zhǎng)度比為2∶1時(shí)，由于入口較長(zhǎng)，導(dǎo)致在入口范圍內(nèi)垃圾-垃圾及生活垃圾-管道碰撞次數(shù)增加，降低其進(jìn)入彎管的初始速度，彎管處的最大磨損量明顯減??；同時(shí)由于顆粒繩的作用使得生活垃圾在彎管部位做離心運(yùn)動(dòng)[8]，導(dǎo)致其在出口范圍內(nèi)碰撞次數(shù)增加，一定程度上增加了出口直管的磨損程度。見(jiàn)圖12。

3 結(jié)論

1）管道內(nèi)生活垃圾的平均速度同時(shí)存在加速和減速情況，水平直管內(nèi)生活垃圾在氣體的推動(dòng)作用下加速，垃圾-垃圾及垃圾-管道之間的碰撞導(dǎo)致平均速度減小，其中垃圾-管道的碰撞多于垃圾-垃圾的碰撞，因此導(dǎo)致氣運(yùn)管壁產(chǎn)生磨損。

2）生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)管道的磨損更多來(lái)自于垃圾和管道之間的摩擦，磨損深度較大部位集中于彎管處，最大磨損量隨垃圾-管道碰撞次數(shù)及生活垃圾進(jìn)入彎管的初始速度增加而增大。

3）在彎轉(zhuǎn)角度為90°～150°的范圍內(nèi)，管道磨損隨著管道角度的增大而減小；在管道彎轉(zhuǎn)半徑為d～5d范圍內(nèi)，管道磨損隨著管道彎曲角度的增大而減??；管道進(jìn)出口長(zhǎng)度比2∶1的時(shí)生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的管道磨損程度最小于進(jìn)出口長(zhǎng)度1∶2、1∶1時(shí)。

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收稿日期：2023-12-25

課題項(xiàng)目：中建股份科研課題（CSCEC-2023-Z-6）

作者簡(jiǎn)介：蘇鵬宇（1997 - ）， 男， 助理工程師， 從事混凝土材料性能研究、應(yīng)用及工業(yè)固體廢棄物資源化利用的研究工作。