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對文丘里供料器的三維數(shù)值模擬及正交分析

2018-05-29 02:33:32陳奕婷安恩科周洪權(quán)孫向軍宋堯季華文
關(guān)鍵詞:氣力輸送料器文丘里

陳奕婷安恩科*周洪權(quán)孫向軍宋堯季華文

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

氣力輸送是借助壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)散料連續(xù)輸送的一種技術(shù),具有輸送效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn),在工農(nóng)業(yè)等各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。氣力輸送可以分為稀相懸浮輸送,密相懸浮輸送和栓流輸送三種,其中稀相懸浮輸送輸送速度高,能耗大,管道內(nèi)也會有較為嚴(yán)重的磨損,密相技術(shù)則能耗較低,使用范圍則更為廣泛。氣力輸送系統(tǒng)一般由5個(gè)部分組成,分別為氣源裝置,供料裝置,輸送管道,收集裝置以及最后的氣固分離裝置,裝置之間不同的選型也會組成不同的氣力輸送系統(tǒng)。

文丘里供料器又名氣固噴射器,是一種結(jié)構(gòu)緊湊、具有高輸送速度、成本也較為低廉的供料設(shè)備。文丘里供料器的工作原理是一定壓強(qiáng)的壓縮空氣噴入噴射器后,以較高速度流經(jīng)接受室,在接受室內(nèi)由于裝置過流斷面的減小導(dǎo)致的流速增大,形成低于或者等于大氣壓的壓力,促使因重力下落的物料被吸入接受室中,與高速氣流混合后流入管道內(nèi)。而在文丘里供料器中收縮角、擴(kuò)散角等參數(shù)的選取對于供料器能否形成負(fù)壓及負(fù)壓的數(shù)值具有較大的影響,本文研究的是不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合對文丘里供料器段在氣體流經(jīng)時(shí)的壓力降。

1 模型及其求解

1.1 物理模型

如圖1 所示為待模擬的文丘里供料器,氣流從左側(cè)氣體入口流入,沿著 X 軸正方向運(yùn)動(dòng),固體從上端固體入口加入,與左側(cè)進(jìn)入的氣體充分混合后從右側(cè)出口一起流出。文丘里供料器前后各設(shè)置一定長度的充分發(fā)展直管段,以確保計(jì)算結(jié)果不被氣流所影響。

圖1 文丘里供料器

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 氣相輸送方程

1)連續(xù)方程

式中:φ是氣體體積比例;ρ是 氣體密度;Ui是速度分量;i、j分別是坐標(biāo)方向。

2)動(dòng) 量方程

式中:p是壓力;fD為顆粒與流體間的相互作用力,fD=β(V-U);V是固相顆粒速度;U是氣相速度;g是重力加速度。

3)湍 流動(dòng)能方程

式中:SdK為附加源項(xiàng)。

1.2.2 顆粒相運(yùn)動(dòng)方程

在稀相氣力輸送中,氣固密度差別較大,因此不考慮 Basset 力和有效質(zhì)量力,僅考慮 Stocks 阻力,saffman升力及重力影響,顆粒的控制方程可以寫為:

式中:V是固相顆粒速度矢量;U是固體顆粒在該點(diǎn)的氣相速度矢量;f是阻力系數(shù)修正因子。

1.3 模擬設(shè)計(jì)

文丘里供料器中設(shè)計(jì)待更改的參數(shù)有:固體比、氣流速度、空氣入口管徑、收縮角、擴(kuò)張角、喉部直徑(與空氣入口成一定比值)、固體入口直徑(與喉部直徑成一定比值)、喉部長度,共8個(gè)參數(shù)。每個(gè)參數(shù)設(shè)置4個(gè)數(shù)值變量進(jìn)行比較,數(shù)值根據(jù)國標(biāo) GB-T 2624.4 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第4 部分:文丘里管》 中提到的要求進(jìn)行選取,參數(shù)選擇見表1。

表1 參數(shù)選取

圖2 正交試驗(yàn)安排表及模擬壓降結(jié)果

考慮到對供料器更改的因素較多,采用正交實(shí)驗(yàn)的安排方法進(jìn)行模擬工況的設(shè)計(jì),即根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散,齊整可比”的特點(diǎn)。本文模擬的工況為因素8,其中收縮角和喉管長度均為因素3水平,其余因素為因素4水平,為了方便設(shè)計(jì),將這兩個(gè)因素的因素2,因素3水平設(shè)為相同值,對應(yīng)的正交表為L32(94),進(jìn)行略微修改后設(shè)計(jì)如圖2。

1.4 數(shù)值求解

1.4.1 基本假設(shè)

1)氣相和固相均為不可壓縮介質(zhì)。

2)入口處氣固兩相的徑向速度為零,且顆粒在氣體中均勻分布。

3)顆粒相是稀薄相,因此不考慮顆粒間的相互碰撞,但考慮兩相之間的雙相耦合。

4)顆粒是粒徑均勻,具有同一直徑的球體,不考慮形狀帶來的影響。

5)不考慮顆粒在壁面上的沉積效應(yīng),即認(rèn)為顆粒在管道中質(zhì)量守恒,忽略掉顆粒相的分壓。

6)顆粒相存在層流粘性。

1.4.2 計(jì)算方法

流場計(jì)算采用simple算法,采用一階隱式求解的方法。

1.4.3 邊界條件

氣體采用速度入口,根據(jù)模擬工況的安排設(shè)置速度。固體入口為速度入口,給予初始速度1m/s。出口采用壓力出口的邊界條件。其余部分均為無滑移的固體壁面。

1.4.4 網(wǎng)格無關(guān)性

利用工況1的模型,劃分若干套網(wǎng)格,計(jì)算供料器的壓降,隨著網(wǎng)格密度的增加,供料器的壓降變化在允許范圍之內(nèi),故本文模擬的模型網(wǎng)格最大網(wǎng)格尺寸均小于2,計(jì)算得與網(wǎng)格無關(guān)的解。

2 結(jié)果分析與討論

圖3、圖4是取工況1氣體在文丘里供料器內(nèi)的速度云圖及其沿程壓力變化曲線。

圖3 文丘里供料器的氣流速度云圖

圖4 文丘里供料器的沿程壓力變化曲線

可以看到,氣流經(jīng)過充分發(fā)展段時(shí)速度基本較為穩(wěn)定,沿程壓力略微下降。進(jìn)入收縮段后,氣流速度由于管徑縮小開始上升,并在喉管部達(dá)到最大,與此同時(shí)喉管內(nèi)壓力也迅速下降形成負(fù)壓,低于固體入口的壓力,由此可以將上方的固體吸入文丘里供料器內(nèi)。經(jīng)過喉管后氣流速度又逐漸下降趨于穩(wěn)定,壓力也隨之逐漸上升,但是由于攜帶有固體,管路壓力降斜率大于純氣體段。

圖5是取工況1觀察固體顆粒在文丘里加料器的運(yùn)動(dòng)路徑。可以看到固體在進(jìn)入到加料器后,先在喉部高壓高速氣流的沖擊下向右下撞擊容器壁,而后大部分顆粒又向上彈起撞擊上部容器壁,而不同加料器結(jié)構(gòu)隨著負(fù)壓的大小不同,并不是都會又向上彈起撞擊上部壁面。最后顆粒群在重力作用下緩慢下降進(jìn)入平穩(wěn)流動(dòng)階段。

圖5 文丘里加料器的固體顆粒運(yùn)動(dòng)路徑

圖2中最后一列為32組工況模擬計(jì)算所得的壓降結(jié)果,可見不同組合組成的文丘里結(jié)構(gòu)及氣固輸送參數(shù)對壓力降的影響是非常顯著的。

2.1 極差分析

對表中的結(jié)果進(jìn)行極差分析,令Ki為在i水平下的壓降結(jié)果總和,ki為在i水平下的壓降平均數(shù),則x因素下的極差值計(jì)算公式為:Rx=max(Ii,x)-min(x,x),x分別為納入考慮的8個(gè)因素。

由于極差的大小反映了相同因素對指標(biāo)結(jié)果起作用的程度,極差大的因素,則代表它所對應(yīng)的水平給指標(biāo)結(jié)果造成的影響比較大,通常是主要因素,由計(jì)算結(jié)果看來,固氣比對壓降的影響是最為明顯的,由圖6可見,壓力降隨著固氣比的增加呈線性增加,固氣比越大,壓降也越大,對壓降影響較大其次是喉部直徑,而對壓力降影響最小的因素是空氣入口的直徑及固體入口的直徑,由圖7可見,壓降隨著空氣入口直徑的變化非常小,且沒有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

圖6 固氣比與壓降的關(guān)系

圖7 空氣入口直徑與壓降的關(guān)系

2.2 方差分析

為了進(jìn)一步探究各因素水平的變化對壓降的影響程度,對正交表2中的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 壓降模擬的方差分析

由顯著檢驗(yàn)角度分析,固氣比影響帶來的F值為53.27,F(xiàn)0.05(3,9)<F0.01(3,9)<F,意味著固氣比對壓降模擬結(jié)果的影響高度顯著,同理計(jì)算喉部直徑對指標(biāo)的影響,F(xiàn)0.05(3,9)<F<F0.01(3,9)對壓降影響也顯著。

而收縮角、擴(kuò)張角、空氣入口管徑、固體入口管徑、喉部長度這些因素經(jīng)判斷,F(xiàn)<F0.05<F0.01,對壓降的影響都不顯著。由此可以說明,這些因素不是影響結(jié)果的主要因素。

由上述的極差分析及方差分析可以得到壓降結(jié)果最小的文丘里供料器的結(jié)構(gòu)和工況組合,對于固氣比、流速及喉部直徑這三個(gè)影響較為顯著的因素,取指標(biāo)最小的元素最好,即a1,b1,f4,對于其余影響較小的因素,也考慮取指標(biāo)小的元素,即 c1,d4,e4,g4,h1,得到壓降最小的組合即為a1b1c1d4e4f4g4h1。再進(jìn)行建模對得到的供料器組合進(jìn)行模擬,得到最優(yōu)的壓降為239Pa。

3 結(jié)論

1)文丘里供料器沿程隨著管段的收縮和擴(kuò)張,管內(nèi)氣體的壓力和速度都有明顯的變化,比較適合用于攜帶固體進(jìn)行輸運(yùn)。

2)通過正交表進(jìn)行的極差分析顯示,固氣比對于文丘里供料器壓力降的影響最為顯著,喉部直徑影響次之,其次分別為氣流速度,喉管長度,收縮角,擴(kuò)張角,固體入口直徑和空氣入口直徑。

3)通過對正交表的方差分析可得,最佳的文丘里組合為固氣比0.23,氣流速度20m/s,收縮角20°,擴(kuò)張角15°,空氣入口直徑100mm,喉部直徑90mm,固體入口36mm,喉部長度為0.97倍喉部直徑,經(jīng)過再次計(jì)算,組合的壓降為239Pa。

[1]肖裕兵.氣力輸送系統(tǒng)文丘里供料器的研究[J].化工管理,2016,(12):217.

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