陳衛(wèi), 袁國(guó)安, 2

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風(fēng)力送絲系統(tǒng)中S型彎管內(nèi)純空氣流的阻力受管形影響研究

陳衛(wèi)*1, 袁國(guó)安1, 2

(1. 南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng), 421001; 2. 衡陽(yáng)三力高科技開(kāi)發(fā)公司, 湖南 衡陽(yáng), 421001)

為減少煙絲氣力輸送系統(tǒng)阻力損失以提高系統(tǒng)風(fēng)力利用率, 對(duì)系統(tǒng)中S型彎管的流場(chǎng)特性與阻力特性進(jìn)行了研究. 用Fluent軟件模擬了純空氣通過(guò)S型彎管時(shí)管內(nèi)流場(chǎng)特性及S型彎管內(nèi)的壓降, 分析了彎管夾角()、彎管曲率半徑()與料管直徑()之比對(duì)S型彎管流場(chǎng)特性及其壓降的影響. 研究發(fā)現(xiàn), 單位長(zhǎng)度S型彎管的壓降隨彎管夾角及彎管曲率半徑增大而減小, 彎管夾角()和彎管曲率半徑()與料管直徑()之比的最佳取值范圍分別為≥ 75°和6 ≤/≤ 15.所得到的結(jié)論為優(yōu)化設(shè)計(jì)S型彎管提供了參考.

S型彎管; 彎管夾角; 彎管曲率半徑; 壓降; 流場(chǎng)特性; 數(shù)值計(jì)算

現(xiàn)代煙草制造工業(yè)的除塵和煙絲輸送系統(tǒng)廣泛采用集中工藝風(fēng)力技術(shù), 工藝風(fēng)力系統(tǒng)主要由喂料器、料管及其管件、卷煙機(jī)、除塵器、風(fēng)機(jī)等組成[1]. 在煙絲輸送過(guò)程中, 系統(tǒng)存在不可避免的壓力損失從而造成能源浪費(fèi), 因此如何降低系統(tǒng)的壓損一直是研究工作者的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容. 煙絲氣力輸送系統(tǒng)中的管件主要有吸料口、彎管、換向閥門(mén)(切換閥)等[2], 彎管的壓力損失和磨損均比直管大. S型彎管主要用于連接不同水平位置上的料管, 使得風(fēng)力系統(tǒng)安裝更加簡(jiǎn)便靈活. 因此, 一個(gè)設(shè)計(jì)良好的S型彎管對(duì)減少局部阻力損失及提高系統(tǒng)性能具有很重要的工程意義. 彎管的夾角和圓弧曲率半徑是影響S型彎管阻力損失的主要因素, 研究其夾角和曲率半徑與壓力損失的關(guān)系, 對(duì)優(yōu)化S型彎管設(shè)計(jì), 提高S型彎管流動(dòng)效率具有重要的指導(dǎo)意義. 為此, 本文采用Fluent軟件對(duì)純空氣在S型彎管中的流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算和分析, 較為深入地研究S型彎管夾角及彎管曲率半徑與壓力損失的關(guān)系, 為彎管設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供參考.

圖1 S型彎管構(gòu)造圖

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

煙絲氣力輸送系統(tǒng)中采用的S型彎管主要分為“由下至上”S型彎管及“由上至下”S型彎管. 由于圓形料管關(guān)于軸線對(duì)稱(chēng), 為節(jié)省資源加快計(jì)算速度, 本文取“由下至上”S型彎管中心截面為控制體積進(jìn)行數(shù)值計(jì)算. 圖1為S型彎管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖. 料管直徑= 125 mm, 彎管夾角和彎管曲率半徑為可變參數(shù).

1.2 控制方程與湍流模式

使用廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)-方程, 選取SIMPER算法[3]進(jìn)行數(shù)值計(jì)算. 本文所選用的控制方程及湍流模式[4]如下.

① 控制方程.

② 湍流模式.

1.3 邊界條件

模型設(shè)置2個(gè)邊界條件, 即入口速度和出口靜壓. 設(shè)入口速度為[5]20 m/s, 出口靜壓為-3 400 Pa, 并在計(jì)算過(guò)程中忽略溫度和重力的影響.

圖2 r/D = 8、θ = 90°時(shí)S彎內(nèi)部壓力場(chǎng)

2 計(jì)算結(jié)果和分析

某煙絲氣力輸送系統(tǒng)中S型彎管的夾角為90°, 圓弧曲率半徑與料管直徑比值為8. 為方便分析, 本文選用純空氣作為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算, 其密度= 1.225 kg/m3, 動(dòng)力粘度= 1.805 × 10-5Pa?s. 數(shù)據(jù)應(yīng)用tecplot 360導(dǎo)出可以得到流體通過(guò)S型彎管的壓力分布圖(圖2), 從圖2可以看出流體剛進(jìn)入S型彎管時(shí)壓力突然下降, 存在局部能量損失, 其大小由S型彎管管形即夾角和彎管曲率半徑?jīng)Q定. 另外, 從圖2還可以知道在2個(gè)圓弧內(nèi)側(cè)的壓力比圓弧外側(cè)壓力低. 由于慣性作用,氣流沖擊外側(cè)壁面, 因此, S型彎管常常在外側(cè)中央部分容易被磨穿.

2.1 S彎壓降與θ角之間的關(guān)系

對(duì)材料及外形相同的料管, 保持S型彎管曲率半徑與料管直徑之比/= 8不變, 對(duì)= 20°、30°、45°、60°、75°、80°、90°等幾種情況分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算. 圖3顯示了流體通過(guò)S型彎管壓力損失與夾角的關(guān)系.

從圖3可以看出,單位長(zhǎng)度S型彎管進(jìn)出口壓力降隨著夾角的不斷增加而減小, 即角度越小壓力損失越大. 當(dāng)＜45°時(shí), 單位長(zhǎng)度壓力損失隨角度減小急劇增高. 當(dāng)≥ 45°時(shí), 曲線變得平緩, 并且在= 75°時(shí), 單位長(zhǎng)度壓降達(dá)到最小值. 因此, 設(shè)計(jì)S彎時(shí)最好取夾角不小于75°, 這樣有利于降低S彎局部阻力損失而提高流動(dòng)效率.

圖3 壓降與θ角之間的關(guān)系

2.2 S彎壓降與r/D之間的關(guān)系

對(duì)相同管徑的管道, 且保持= 90°不變時(shí), 改變彎管曲率半徑的大小, 分析S型彎管的壓力降. 分別對(duì)/= 1、1.5、2、4、6、8、10、12、14幾種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, S型彎管壓降與彎管曲率半徑的關(guān)系如圖4所示. 根據(jù)圖4可知, 單位長(zhǎng)度S型彎管上壓降隨著彎管曲率半徑增大而減小. 從圖4可以看出, 當(dāng)/＜6時(shí), 彎管曲率半徑對(duì)S型彎管壓力有顯著影響, 當(dāng)/≥ 6時(shí), 彎管曲率半徑對(duì)S型彎管的壓降影響相對(duì)減小. 另一方面, 當(dāng)/增大時(shí), S型彎管沿程阻力損失隨之增大, 因此,/過(guò)大反而不利, S型彎管曲率半徑與料管直徑的比值(/)的最佳取值范圍為6～15.

圖4 壓降與r/D之間的關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬研究了煙絲氣力輸送系統(tǒng)中S型彎管局部阻力損失變化規(guī)律. 空氣經(jīng)過(guò)S型彎管時(shí),由于空氣分子與分子、分子與管壁之間存在摩擦和碰撞, 并且彎管走向使得空氣流動(dòng)變向, 從而導(dǎo)致空氣動(dòng)能不斷損失并表現(xiàn)為靜壓的下降. 彎管曲率半徑與直徑比為8時(shí), 單位長(zhǎng)度S型彎管進(jìn)出口壓力隨角度增大而減小,= 75°效果最佳, 即單位長(zhǎng)度S型彎管壓降最小. 角度一定時(shí), 單位長(zhǎng)度S型彎管壓降隨彎管曲率半徑增大而減小, 當(dāng)/＜6時(shí), 彎管曲率半徑對(duì)彎管壓降的影響很大, 當(dāng)/≥ 6時(shí), 彎管曲率半徑對(duì)彎管壓降的影響逐漸減小./增大的同時(shí)也增大了S型彎管的沿程阻力損失, 故而建議設(shè)計(jì)S型彎管時(shí)/的取值范圍為6～15.

[1] 董耀, 張雄. 氣力輸送在卷煙工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 21(3): 69—73.

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[4] 文俊, 刁明君, 李斌華, 等. 90°圓形彎管三維紊流數(shù)值模擬[J]. 四川水力發(fā)電, 2008, 27(2): 111—112.

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Study on the effect of tube-shaped on resistance of air flow inside S-elbow in tobacco pneumatic conveying system

CHEN Wei-min1, YUAN Guo-an1, 2

(1. School of Urban Construction, University of South China, Hengyang 421001, China; 2. Hengyang Sunny High-Tech R&D Company, Hengyang 421001, China)

Study on the flow property and resistance characteristic of S-elbow is beneficial to reduce pressure loss of pneumatic conveying system, and improve utilization ratio of wind power. The flow characteristic and the pressure loss of S-elbow with different elbow angel and curvature radius are simulated by the fluent. The simulation results show that the gradient of pressure decrease when the angle increased and the optimum angle is 75 degree, and the unit length pressure drop of S-elbow decrease with radius increasing, the ratio between the radius of bend and the diameter of pipe should be ranged from 6 to 15. The simulation results provided reference for the design and engineering application of S-elbow in tobacco pneumatic system.

S-elbow; elbow angle; arc radius; pressure drop; flow field characteristic; numerical calculation

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.021

TS 432

1672-6146(2013)04-0090-03

email: 945545252@qq.com.

2013-10-16

(責(zé)任編校: 江 河)