工业管道内的气力输送模拟研究
1 课题背景及研究意义
气力输送指利用气流的能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料。气力输送装置的结构简单，操作方便，可作水平的、垂直的或倾斜方向的输送，在输送过程中还可同时进行物料的加热、冷却、干燥和气流分级等物理操作或某些化学操作。气力输送目前已经使用于各行业部门进行原料输送，并且在气力除灰等清洁领域也有较多应用。而气力输送常常出现包括堵塞、部件磨损、下料不畅、出力不足。颗粒损坏的问题，其中堵塞问题占密相气力输送系统总故障率的40%以上[1]。为了减少气力输送系统故障率、提高系统运行效率，对气力输送系统中的气固两相流进行模拟分析是具有必要性的，这也是近年来业内的研究热点。
2 气固两相流模拟的研究现状
由于气固两相流流动的复杂性和多变性，如颗粒浓度分布的不均匀性，随机性、流动结构的多样化、粉体颗粒速度加速度的准确测量和现有测量方法的局限性等，时至今日的研究中也尚未总结出一套能够完全准确、科学、全面描述气力输送的机理，这对于气力输送技术在生产中的高效使用显然是一个巨大的不利因素。
2.1 气相模拟研究现状(TFM法)
随着计算机处理速度的飞速发展，颗粒离散元软件模拟技术的日益成熟，利用CFD软件从微观的角度对气力输送两相流的研究越来越受到国内外学者重视和研究。从对颗粒相不同的处理研究思路，气力输送的数值模拟方法可以分为两大主要途径，即连续性模型方法和离散元模型方法。其中连续相的研究方法最早是由Gidaspow等人[2]在1992年提出的，将含大量颗粒的颗粒相人为假定为连续流体来研究密相多组分颗粒的流动特性，主要核心研究理论是将颗粒群人为流体化，简单地看作是与空气相共同存在且相互渗透的理想连续介质，而其动能变化、能量基本守恒方程都可以通过CFD软件中的微分方程计算求解，典型代表是欧拉双流体模型（TFM)。基于上述的TFM模型，Linhui L等人[3]研究了在鼓泡流化床中，当颗粒粒径，颗粒密度和颗粒浓度发生变化时导致颗粒浓度 分布的差异情况，其模拟计算与实验研究方法测量得到的沿床层高度的颗粒浓度分布结果十分符合。Goldschmidt等人[4]采用了 TFM模型和 DEM硬球模型对比模拟研究了流化床中的密相气力输送，发现这两种计算流体力学的方法对床层膨胀和其中气泡大小的变化规律的预测与实验数据还算吻合，值得一提的是，在他们的研究当中发现，相对于采用TFM模型，DEM硬球模型得到的计算结果更加贴近实验采集到的数据。Gobinetal等人[5]应用TFM 模型，采用均时的方法减小两相流流态随时间瞬时变化较大的影响，使得流化床中的流动结构变化对时间的依赖性降低，预测了床层高度和压降能较好地反映流化床中的气固两相流动状况，而没有考虑颗粒的粒径分布情况，将其视为均一分布的球形颗粒则对模拟的结果存在一定的误差影响，与实际实验中的数据有一定偏差。Math等人[5]则采用TFM模型中的Euler-Euler模型来模拟计算研究，得到对于在小规模的流化床中的客流-空气两相悬浮混合物的流动特性，发现了床层中的颗粒相浓度呈中间低，四周高的分布特性，这与他们重复的冷态 实验结果显示的情况是相符的。Zamankhan等人[6]则考虑了麦克斯韦速度分布对多组分刚性球形颗粒群的影响，采用TFM模型的核心思路，通过自主编程开发的气泡计算系统，模拟计算得到了在鼓泡流化床中，轴向速度增大、频率 增加、床层长度加大以不同流态转变时空气-颗粒两相气固混合物流动特性。国内宁丽娟等[7]则采用计算流体力学软件Fluent对实际电厂运行450t/h锅炉进行三维建模，对炉膛内的空气-煤粉两相流动进行速度场和温度场的分析，得到了颗粒粒径越小，扰动程度越剧烈，形成床层更高的结论，这对于改善优化循环流化床中的流动状态有一定的工程指导意义。
2.2 固相模拟研究现状(DEM法)
从本质上来说，连续性模型方法[8]并未考虑混合流体中每一个颗粒自身的动力学行为对两相介质流动特性的影响，因此这种方法局限性较大，只能适用于某些特定的流动状况。对于绝大多数的工程应用，空气相是颗粒相动能的主要提供，但颗粒-流体间的相互作用、颗粒-颗粒间的相互作用甚至颗粒-壁面的相互作用是不能忽略的。因此从微观角度关注颗粒自身的流动行为是了解整个气力输送内在规律的关键，这也是离散方法[8]的核心思想。离散方法关注每个颗粒的运动对于两相流动的影响，也分为两种本质不同的方法，拉格朗日方法(LPT)和离散元方法(DEM)。前者是在颗粒-流体TFM模型的基础上，将颗粒相作离散化处理，在拉格朗日坐标上单独求解每个颗粒的控制方程，由于计算颗粒数目巨大对计算机的处理能力和计算速度要求很高。其中Hoomans等人[9]则首次应用LPT方法，在2维循环流化床模型中研究了两个重要描述气固两相流动的参数，摩擦系数和恢复系数对于流动的影响。Li等人[10]沿用分子动力学的观点，探究了循环流化床中颗粒-颗粒作用和颗粒-流体作用对于流动结构的影响，认为宏观上混合流体流行变化是由于上述两种作用力的改变的，提出了非线性流 动结构的观点。DEM方法与LPT方法相比[11]，在分子动力学的基础上，不仅单独描述每个颗粒的运动状况，每个颗粒的瞬时受力情况，运动轨迹等流场信息，值得一提的是，DEM方法可以记录得到颗粒间的碰撞信息。而DEM方法 也是最为广泛应用的离散方法，其具体的计算原理在本章第二节中讲详细介绍。这两种离散方法早期都是应用于循环流化床和管内的密相气力输送，研究对象均为大固体颗粒。其中，Santiago等人[12]采用LPT的方法，探究了在直管段中， 当气体雷诺数较小时，采用RNG k-s湍流模型计算得到的模拟结果与实验中釆集到的数据更加符合，相比之下釆用Standard k-S湍流模型则与实验采集的数据偏差较大，前者的预测准确性更高。Huber和Rasmuson等人[13]基于随机轨道模型，发现了空气-颗粒混合流体经过直管道-弯管道-直管道的结构时，在弯管内会产生二次流现象，并且由有离心力和重力作用下形成的颗粒绳结构 (particle ropping)的形成与解体与管内壁面的粗糖程度有关。Bilirgen等人[14]基于三维的LPT模型来探究带有网孔结构的弯管内的流动特性，发现模拟结果 能很好的展现气固两相流的流动特征。Qu等人[15]基于Euler-Lagrangian方法对 90°弯管内的颗粒-空气两相流动进行了数值模拟，结果发现当颗粒大小改变时，对弯管处形成的颗粒绳结构和湍流二次流作用都有一定的影响。Yilmaz和 Levy等人[16]联合了 LPT模型预测和实验的方法，发现弯管结构，如半径和弯径比等参数对颗粒绳结构的形成和分解影响最大，但其具体机理当时尚未有明确研究给出。Hidayat和Rasmuson等人[17]基于DEM模型探究了在直管段内的含大颗粒的气固两相流的运动特性，发现随着颗粒浓度的增加，管内空气压降减小，两相间的滑移速度减小，而滑移速度的大小主要与气体的来流速度有关。
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