張建銳，萬小龍，郭晉昌，王俊升，徐 靜

（1.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅慶陽 745000；2.國家電網(wǎng)環(huán)縣供電公司，甘肅慶陽 745700；3.國家電網(wǎng)慶陽供電公司，甘肅慶陽 745000）

基于Fluent軟件的煤倉內(nèi)煤流仿真分析

張建銳1，萬小龍1，郭晉昌1，王俊升2，徐 靜3

（1.隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅慶陽 745000；2.國家電網(wǎng)環(huán)縣供電公司，甘肅慶陽 745700；3.國家電網(wǎng)慶陽供電公司，甘肅慶陽 745000）

煤流在煤倉中的流動效果受煤倉下部漏斗的結(jié)構(gòu)形式、煤流的成分、水分等因素的影響，基于Fluent軟件對煤流的各種狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，得到倉體壓力值、顆粒的運(yùn)動軌跡圖。對煤倉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、煤倉防堵措施的制定，具有重要參考價值。

煤倉漏斗；堵倉；倉體壓力；煤流仿真

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.57

0 引言

煤倉是煤炭運(yùn)輸過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。煤倉堵塞受內(nèi)、外因素綜合影響。 內(nèi)因主要指煤的物理機(jī)械性質(zhì)；外因指倉體功能設(shè)計因素。通過對煤堵塞機(jī)理的研究，探索煤倉結(jié)拱的原因，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮煤質(zhì)特性、煤料在煤倉中的受力以及倉口結(jié)構(gòu)等因素，以便盡可能減少煤在煤倉中的結(jié)拱現(xiàn)象，為制定有效的煤倉防堵措施提供理論依據(jù)。

1 軟件分析的目的

根據(jù)煤炭顆粒在不同結(jié)構(gòu)倉體的氣固二相流動的運(yùn)動規(guī)律，找出煤炭顆粒在倉體運(yùn)動過程中影響粘度的因素。利用Fluent6.3對煤炭塊兒在煤倉內(nèi)氣固兩相流的流場進(jìn)行了仿真模擬，得到了氣固兩相流動的壓力場、速度場分布以及煤塊兒在煤倉內(nèi)的運(yùn)動軌跡。通過對比各種倉體的差異，優(yōu)化出最適宜的倉體結(jié)構(gòu)。

Fluent軟件是目前比較流行的CFD軟件，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，它具有非常豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計算方法和強(qiáng)大的后處理功能。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度，同時它靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，以及強(qiáng)大的前后處理功能都是它被工業(yè)實際應(yīng)用認(rèn)可的保障[1-2]。

2 煤倉下口漏斗的建模

煤倉下口的特點是煤塊停留時間短、若設(shè)計不合理極易發(fā)生堵倉事故，模型建立是做2個簡化假設(shè)。（1）顆粒度有大小之分，且以中等顆粒為主。（2）顆粒分布均勻，不會出現(xiàn)忽多忽少的情況。

2.1 煤倉下體網(wǎng)格劃分

基于對煤倉下體幾何模型的假設(shè)及流體力學(xué)的相關(guān)理論知識，建立煤倉下體的幾何模型，用Fluent自帶的GAMBIT畫圖軟件建立煤倉下體模型，不同煤倉下體的幾何模型各有不同，因此將煤倉上端統(tǒng)一為直徑600 cm、高200 cm的圓柱，下端統(tǒng)一為直徑200 cm、高100 cm的圓柱，中間為高是600 cm 4種不同結(jié)構(gòu)的倉體模型。由于網(wǎng)格的質(zhì)量決定著Fluent模擬的成敗或者收斂的快慢，所以在對模型進(jìn)行仿真模擬之前要對網(wǎng)格文件進(jìn)行檢查，依次點擊Grid-Check要求最小體積不能為負(fù)值，否則Fluent無法進(jìn)行計算要對網(wǎng)格重新劃分[3]。

2.2 數(shù)值求解的設(shè)置

利用Fluent中提供的流動和二相流模型對倉體內(nèi)煤塊的流動進(jìn)行了模擬研究[4]。為了用數(shù)值方法求解流動過程，必須給定相應(yīng)的邊界條件和初始條件，它們會直接影響到方程組的收斂性和正確性。煤塊固體密度為1400 kg/m3，進(jìn)口初速度為10 m/s，煤塊顆粒流量為1130 kg/s，煤顆粒平均直徑范圍50～100 mm，運(yùn)動方向為自上而下，經(jīng)過以上各種結(jié)構(gòu)倉體，流出下料口。

對于流動的邊界條件根據(jù)各工況參數(shù)對其入口速度、溫度和入口的固相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，湍流定義方式為湍流強(qiáng)度和顆粒直徑[5]。

3 固體仿真模擬結(jié)果

通過對不同倉體固體仿真模擬云圖的分析對比，更加清楚直觀的看到不同倉體之間的差異，有利于選擇出更為合理的倉體結(jié)構(gòu)類型。

3.1 不同結(jié)構(gòu)倉體壓力場分析

通過不同曲面?zhèn)}體的壓力分布云圖，可知煤顆粒在倉體內(nèi)的壓力分布，其中最小值出現(xiàn)在倉體的進(jìn)口處，原因是研究的系統(tǒng)是一個簡化的輸送裝置，最小壓力值一定是出現(xiàn)在倉體進(jìn)口處，從倉內(nèi)的壓力分布圖可以看出，倉內(nèi)煤碳顆粒在整個運(yùn)動過程中壓力是逐漸增大的，這是因為隨著倉體的逐漸收縮煤炭顆粒在運(yùn)動過程中匯集的更密集，對底部煤炭產(chǎn)生更大的壓實度，故在煤倉曲線末端處增到最大。隨后又減小至某一穩(wěn)定值流出倉體。

不難看出雙曲線型倉體的體積最小，因此底部受到的壓力最大。壓力越大則顆粒向下的速度越快，并且雙曲面型煤倉較其他倉體的壓力值最早發(fā)生變化。這使得雙曲面型倉體內(nèi)的顆粒以更快的速度通過煤倉，有效地避免了煤炭顆粒在出料口的堵塞，不易發(fā)生壓力過小，顆粒流動速度太慢而導(dǎo)致的結(jié)拱現(xiàn)象。其次是圓錐面，而橢球面型倉體最差，顆粒在倉體下部由于壓力太小，倉體下口又突然緊縮極易引起煤倉下口的堵塞，最不適宜。

3.2 不同倉體結(jié)構(gòu)部分速度矢量分析

由于煤炭顆粒是從倉體上口以面的形式向下運(yùn)動，因此模擬煤炭顆粒的多少由邊界入口劃分網(wǎng)格的個數(shù)決定，顆粒比較密集，這里提取部分炭塊顆粒，提取其中一部分煤炭塊兒的速度矢量，具體比較一下不同倉體結(jié)構(gòu)對顆粒速度的影響。

根據(jù)速度矢量分析，煤炭顆粒的速度在倉體的不同位置速度是不同的。煤炭顆粒在不同的倉體中運(yùn)動，因倉體結(jié)構(gòu)不同，顆粒會在不同的倉體中速度矢量的變化也不同。顆粒在各種倉體內(nèi)在中下方位置的速度有明顯差異，雙曲面型箭頭較其他3種長。則表明速度最快，其次是圓錐面型，而橢球面型顆粒運(yùn)動速度最慢拋物面型次之，這說明顆粒在橢球面型和拋物面型倉體中運(yùn)動不夠流暢，因此雙曲面型最好，顆粒運(yùn)動速度最快。

3.3 不同倉體結(jié)構(gòu)部分顆粒軌跡

圖1是部分煤炭顆粒在4種不同倉體的運(yùn)動軌跡，從圖中可以清楚的看到，不同倉體中顆粒運(yùn)動在倉體下方是沿倉壁運(yùn)動的。可以發(fā)現(xiàn)在出倉口由于倉體結(jié)構(gòu)的不同，圓錐面和雙曲面型中，大多顆粒在重力的影響下沿倉壁下滑，由于倉體結(jié)構(gòu)的不同顆粒與倉壁、顆粒與顆粒之間的碰撞也不同。

對于雙曲面型倉體顆粒會在重力加速度的影響下沿倉壁在出倉口向四周擴(kuò)散流出，這避免了煤炭顆粒在出料口的堆積而導(dǎo)致的出料口堵塞。減少了清理出料口的時間。而橢球面和拋物面型由于倉體下口突然收縮，大多顆粒會沿著倉壁下滑至倉體下部倉體的突然收縮使顆粒運(yùn)動變慢，而緩慢流出出料口，這樣顆粒會在出料口堆積隨著顆粒的增多會出現(xiàn)堵塞出料口的現(xiàn)象。顆粒出倉會比較困難，因此，不利于煤炭向外流出。

圖1 煤顆粒在不同倉體的運(yùn)動軌跡

4 結(jié)論

由Fluent軟件對以上4種不同的結(jié)構(gòu)煤倉的仿真模擬分析來看，選用雙曲面型漏斗煤倉比圓錐面、橢球面、拋物面各方面都比較優(yōu)越。采用雙曲面型煤倉，漸縮部分上部筒壁收縮較快，這部位由于尺寸比較大,不易形成蓬煤。下部筒壁收縮較慢，這部位筒體其筒壁非常陡峭,筒壁對煤塊兒向上的支撐作用非常小，且上部原煤對下部原煤的壓力作用集中，使得煤塊兒能夠快速、穩(wěn)定的通過煤倉下口使堵塞事故減少。雙曲面型煤倉漏斗是防止煤倉發(fā)生結(jié)拱堵塞事故較好的結(jié)構(gòu)形式。

［1］許靜，錢昆，李斌，等.Fluent軟件在流體機(jī)械原理課程教學(xué)中應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2016（12）:5-5.

［2］江帆,黃鵬.FLUENT高級應(yīng)運(yùn)與實例分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］郭仁寧,于連麗.粉煤干燥管內(nèi)氣固二相流動的數(shù)值模擬與實驗研究［J］.熱能工程，2009（11）:45-46.

［4］吳茂磊,李俊俊,鄭翔.L型氣固兩相流管道輸送有限元分析［J］.機(jī)械工程與自動化，2015（5）:33-35.

［5］周俊波.FLUENT6.3流場分析從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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〔編輯 凌 瑞〕