摘 要： 气固两相流是气力输送过程需要解决的关键问题，气力输送是以空气为载体在管道中输送粉尘或者固体的技术。以水平渐扩管为载体，建立气力输送过程中气固两相流的理论模型，利用FLUENT软件对气力输送过程进行模拟分析，分别从速度场、压力场等方面进行分析。通过模拟得出，水平渐扩管可以把速度能转化成压力能，能有效减小气力输送过程中固体颗粒对输送管道的磨损，提高管道的使用寿命。
关键词：气力输送；FLUENT；两相流；低气压
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.247
0 前言
气力输送是以空气为载体在管道中输送粉尘或者固体的技术，气力输送系统是一种以高压罗茨风机或回转式风机为压气设备，以气锁阀为供料设备的输送系统。气力输送技术因其具有输送效率高、能耗低、污染少、设备简单可靠等优点现在越来越多的用在发电、食品加工、化工等领域。
气力输送过程中，压力沿着管道是逐渐降低，这会使得空气膨胀，气体与固体的相对速度增大，导致气固两相对管道的撞击和磨损加剧，输送距离越长，磨损越严重，在管路系统中安装一个扩张型的管道能有效的缓解这个问题。王琨等人用试验的方法得出了在水平渐扩管气固输送能力与固气比、扩散角、管径比等因素有关。李勇等人对试验进行了改进，得出了管路系统安装一个渐扩的管道能有效缓解气固在运行中的磨损问题。衣华等人通过对渐扩管的研究发现渐扩管能使得气流速度减低，把气体速度能转变成压力能，从而减小气固对管路的磨损。
可以看出，对气力研究管路的研究目前已经取得了很大的成就，但大部分人仅仅集中在试验研究这块，很少有人从理论和模拟的角度对其机理进行分析。本文利用FLUENT软件对气固两相流在水平扩散管中的流场、压力场规律进行分析。
1 模型建立
1.1 物理模型建立
渐扩前后两管段管径 分别由d 与 D表示，其值分别为 60mm和 80mm； 扩散角度分别为4° 6° 、 8°、 10°、12°。管路总长为900mm。
1.2 理论模型建立
1.2.1 基本假设
选择主控方程为N-S方程，为了便于计算，忽略一些对研究重点和预期没有影响或者影响很小的因素，作如下基本假设：
（1）忽略气体体积力的作用；
（2）介质为牛顿流体，即剪切应力与速度梯度成正比；
（3）表面无滑移，即附着于界面上的流体质点的速度与界面上该点的速度相同；
（4）与黏性力相比，忽略惯性力的影响，包括流体加速度的惯性力和流体膜弯曲的离心力；
（5）模拟过程中，气体与固体无滑移动，即气体与固体速度一样。
1.2.2 理论模型建立
1.3 湍流模型
假定从进口进入的气固混合相是恒定的，基于时均化的 Navier-Stokes方程，采用标准的k-ε湍流模型来确定湍流黏性系数。气固交换系数采 用 Wen-Yu模型，颗粒碰撞归还系数设为0.85；采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合方程组，控制方程对流项的离散采用一阶迎风格式，扩散项、源项采用中心差分格式。
2 边界条件设定
边界条件设定。根据水平渐扩管的特点，由连续介质假设和质量守恒定律设定进口为压力进口，进口压力为0.1MPa，湍动能的进口值取进口平均动能的0.5%，进口湍动能耗散率按照下列公式计算：
其中：为进口处的湍动能；为近壁计算点到壁面距离；K为卡门常数，取K=0.42.出口为自由出流，固体壁面满足无滑移边界条件，湍流壁面采用壁面函数边界条件。
3 模拟结果及分析
本文模拟了固体颗粒的体积分数为5%，颗粒直径为0.005mm扩散管扩散角为4°、6° 、 8°、 10°、12°这5中工况下的内部流场、压力场、湍动能场情况，通过模拟结果渐扩管气固两相流的一般规律以及不同角度扩散管对其的影响规律。
图3是扩散管在6°时固体颗粒在管道中的分布情况，从图中可以看出，在进口处，固体颗粒的体积分数为5%基本不变，但当进入扩散区后，固体颗粒的百分比沿径向分布是壁面附近低，中间区域高，因而在同等条件下，采用扩散管进行气力输送时，扩散区域壁面磨损较小。
图4、图5分布为渐扩管压力分布图、速度分布图。从图中可以看出，在渐扩管进口端，压力低，速度高，而在渐扩区域，压力呈现梯度变化，压力逐渐变大，气固速度逐渐变小，渐扩区域结束完后，压力和速度基本保持不变。经过渐扩管后，压力升高，速度降低，这不仅仅可以提高气力输送的距离，因速度降低，可以减小固体颗粒与输送管路壁面的碰撞相对速度，降低管道的磨损，提高管道使用寿命。
图6为湍动能分布云图，湍动能越高，表明两相流消耗的能量越多，这是因为湍动能越高，流体涡旋越强烈。从图中可以看出，湍动能最高的区域不是发生在渐扩区域，而是在管道没变化的区域，渐扩部分湍动能最低，能量损失最小。这说明渐扩管具有节能的效果。
图7为不同扩散角的水平渐扩管渐扩区域湍动能的平均值的对比图，从图中可以看出，随着角度的增大，湍动能先是逐渐减小，8°角时，湍动能最小，当角度超过8°时，湍动能不断增大。这说明对于此模型下的渐扩管，8°是其最优的扩散角。
4 结论
本文应用Fluent软件模拟水平渐扩管气固两相流流场，通过分析得到如下结论。
（1）渐扩管渐扩区域，固体颗粒壁面附近浓度较低，离壁面越远，颗粒浓度越高，这说明渐扩管可以减小颗粒与固体颗粒的碰撞，减小管路的磨损，延长管路使用寿命；
（2）因渐扩管的作用，使得管路内混合物的速度能转化成压力能，这不仅提高了混合气体的运输能力，而且可以降低混合物与壁面碰撞的相对速度，提高管路的使用寿命；
（3）对于本文所用的模型，当渐扩管渐扩角度为8°时，此时的湍动能最小，能量损失最小。
参考文献：
[1]刘宗明，段广彬，赵军.低速高能效的浓相气力输送技术[J]. 中国粉体技术，2005，11（05）：5-29.
[2]张国威，周国强，刘金梅.基于热一结构耦合的干气 压缩机出口输气管道应力分析[J].流体机械，2011，39（12）：43-46.
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基金项目：本文系湖南省教育厅科学研究项目：粉体物料低压力气力连续输送系统应用研究【14C0402】的研究成果。
作者简介：向东（1977-），男，湖南汉寿人，主要从事机械设计与制造方面的研究。
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