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氣力輸送系統管道系統
日期：2025-08-13 22:56
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摘要：
管夾閥,箍斷閥 氣力輸送系統管道系統
氣力輸送系統廣泛應用于原料的輸送、除塵等。由于所輸送的物料，如篩分車(chē)間輸送的固體顆粒及煙塵等，具有密度大、硬度高、尖銳角突出等特點(diǎn)，加之輸送介質(zhì)速度高，氣力輸送管道尤其是管道彎頭的磨損情況十分嚴重，已經(jīng)影響到工業(yè)生產(chǎn)的連續性和生產(chǎn)**。氣固兩相流關(guān)鍵部位的磨損問(wèn)題的解決對節約原料有重大意義，是節能降耗的有力體現。
氣力輸送系統管道不僅應用范圍廣泛， 而且應用效果也非常顯著(zhù)。 本課題在傳統的氣力輸送的基礎上對閥件關(guān)鍵部位的管道與普通管道做了比較，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設計，在這同時(shí)借用Fluent軟件工具來(lái)模擬氣力輸送的管道系統，通過(guò)一些條件的設立得到結果，并將不同條件下的結果進(jìn)行對比，來(lái)分析氣力輸送中存在的流動(dòng)的不穩定因素、造成堵塞的機理以及減少磨損的方法。
本文中提出的是氣力輸送變截面管道， 通過(guò)參考書(shū)及其文獻指導建立了管道的模型，并應用fluent軟件得出了速度、壓力等一些實(shí)驗數據，其結果與實(shí)際數據的擬合程度有待進(jìn)一步通過(guò)限制模型的假設條件來(lái)提高（因為我們在運用軟件時(shí)設置的參數與現實(shí)環(huán)境還是有不一樣的地方），這與運用數學(xué)對現實(shí)問(wèn)題進(jìn)行建模很有相似性，它們都有解決問(wèn)題前的假設條件。
課題背景
隨著(zhù)我國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷地興建大型火力發(fā)電廠(chǎng)，電廠(chǎng)的三廢排放問(wèn)題也越來(lái)越突出，就拿粉煤灰的排放來(lái)說(shuō)，一個(gè)總裝容量100萬(wàn)千瓦的電廠(chǎng)，每小時(shí)要排放120噸左右的粉煤灰，而年排放量達到85萬(wàn)噸。過(guò)去對粉煤灰的排放一般采用水沖灰排放方式，這不僅消耗大量的水資源、資金，而且增加環(huán)境污染，并且占用了大量的堆灰土地。隨著(zhù)電廠(chǎng)的不斷興建和大型化，這些問(wèn)題越來(lái)越突出。若氣力輸送成為電廠(chǎng)的主要輸灰系統，基本上不需要用水，就不會(huì )像水力除灰系統那樣對環(huán)境和水質(zhì)造成污染，并可保證灰在輸送過(guò)程中不會(huì )發(fā)生化學(xué)變化，保持灰的原有特性，有利于灰渣綜合利用。近幾年來(lái)過(guò)內外科技工作者對氣力輸送系統的研究有了很大的發(fā)展，并把它應用在各種傳送機器中，其中不乏有米廠(chǎng)、電廠(chǎng)從各種優(yōu)化方案中綜合考慮經(jīng)濟環(huán)境經(jīng)濟因素用到氣力輸送傳動(dòng)。因此氣力輸送技術(shù)課題的研究有著(zhù)廣泛的工程實(shí)際需要和重要的理論、實(shí)踐及經(jīng)濟意義，具有廣闊的發(fā)展前景。管夾閥,箍斷閥
*早使用空氣輸送固體或液體的嘗試始于19世紀初期。1810年，Medhttrst首先提出了郵件氣力輸送的方案。1824年，Vallance建立了*早的氣力輸送實(shí)驗裝置。1861年，Rammell建成了**條筒式氣力輸送系統。但氣力輸送用于成件貨物的輸送則開(kāi)始于19世紀60年代中期。1866年，氣力輸送技術(shù)正式用來(lái)輸送棉花和砂等散裝物料。*初，氣力輸送僅僅用于碼頭上的裝卸。限于當時(shí)的工藝技術(shù)水平，氣力輸送技術(shù)在很長(cháng)的一段時(shí)間內幾乎沒(méi)有多大發(fā)展。直到1891年，英國密爾沃爾公司的工程師F．E．Dockham對氣力輸送系統進(jìn)行了大量的改造，發(fā)明了可連續排出物料的負壓輸送裝置，氣力輸送技術(shù)才得到了極大的發(fā)展。這種負壓氣力輸送裝置特別受到糧食輸入國，如英國、荷蘭、德國等國家的重視，負壓氣力輸送也得N-f較大程度的普及。20世紀初氣力輸送裝置開(kāi)始用于車(chē)間內部的物料輸送。此后，正壓氣力輸送裝置的研究也取得了較大的發(fā)展，到30年代左右在車(chē)間內部已被廣泛使用。20世紀70年代，日本學(xué)者久保輝一郎、水渡英，對粉體的力學(xué)特性和運動(dòng)理淪進(jìn)行了研究。仁漳其貞用流體力學(xué)和固體摩擦理論的方法，建立管道顆粒流動(dòng)的運動(dòng)模型。研究流場(chǎng)中單顆?；蛴兄?zhù)相互作用的多穎粒運動(dòng)，以及考察含有穎粒的流場(chǎng)本身可用來(lái)推測流場(chǎng)中有關(guān)的流動(dòng)信息，如探討作用在顆粒上的合力和通過(guò)對流場(chǎng)平均得到的流變性質(zhì)等。
氣力輸送技術(shù)在我國起步較晚，20世紀50年代末才開(kāi)始有所研究，60年代以后，倉泵正壓氣力輸送技術(shù)開(kāi)始在國內得到應用，進(jìn)入80年代，許多電廠(chǎng)相繼引進(jìn)了各種類(lèi)型的除塵設備及相關(guān)技術(shù)。之后，氣力輸送相繼在水泥、冶金、**等行業(yè)得到了推廣和應用。1978年，中國科學(xué)院化工冶金研究的李洪鐘，就垂直氣力輸送壓強降計算方法進(jìn)行了深入地研究陰。1980年，華東化工學(xué)院的楊倫對脈沖氣刀式栓流密相氣力輸送進(jìn)行了研究。1990年上海海運學(xué)院的余達銀等對氣力輸送進(jìn)行的優(yōu)化設計，1992年，余洲生又對長(cháng)距離水平輸送進(jìn)行了有益的探討。1996年，清華大學(xué)的魏飛等就氣固并行系統中彌散顆?；旌闲袨檫M(jìn)行了系統的研究。1998年，陳利東等對濃相氣力輸送的流型及穩定性判定進(jìn)行了實(shí)驗研究，提出了一種檢測流型穩定性的方法。固體的氣力輸送代表了十九世紀工業(yè)的巨大革新之一經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀的發(fā)展，目前，各種裝置形式越來(lái)越多，己有制造成套氣力輸送裝置的工廠(chǎng)，僅在美國，據不完全統計，這類(lèi)工廠(chǎng)就有30多家。
氣力輸送系統分類(lèi)與特點(diǎn)
氣力輸送系統的分類(lèi)方法有很多，如按照料氣比分類(lèi)、按照料氣兩相流體力學(xué)特征分類(lèi)、按照料氣兩相運動(dòng)特征分類(lèi)、按照裝置特征分類(lèi)等。主要分類(lèi)有以下兩種:根據輸送裝置分類(lèi)，其依據來(lái)自輸送管道中空氣壓力狀態(tài):另一種是物料在管道中的流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)，其依據相圖、輸送管道中氣固流動(dòng)狀態(tài)、單位時(shí)間的輸送量及料氣比。
(1).按輸送裝置特征,氣力輸送可以分為負壓式、正壓式及混合式三種。
(a)負壓輸送
負壓輸送系統是以輸送系統末端的引風(fēng)裝置運轉時(shí)形成負壓與外界壓力差為動(dòng)力的。由于壓力差的存在，外界空氣被吸入管道，同時(shí)物料隨空氣的運動(dòng)而被帶入管道。到達終點(diǎn)后，物料從空氣中被分離出來(lái)并收集，空氣則經(jīng)凈化后排入大氣或循環(huán)使用。負壓輸送系統多用于集中式輸送，即多點(diǎn)向一點(diǎn)輸送，如車(chē)間除塵、糧食入倉等。負壓輸送的優(yōu)點(diǎn)在于能有效的收集物料，物料不會(huì )進(jìn)入大氣，這對于有毒物料的氣力輸送尤其重要，但由于真空度的影響，其輸送距離受到一定限制，一般系統壓力降的限度是O．044MPaf71。
(b)正壓輸送管夾閥,箍斷閥
正壓輸送是*早使用的氣力輸送系統，也是氣力輸送的*基本形式。正壓輸送是利用系統起點(diǎn)的風(fēng)機向輸送管道內通入壓縮空氣，利用管道起點(diǎn)與終點(diǎn)的壓力差，使空氣在管道內流動(dòng)，并帶動(dòng)物料運動(dòng)的。正壓輸送系統中，物料由供料裝置送入輸送系統，在輸送終點(diǎn)，物料與空氣分離。與負壓氣力輸送系統相比，正壓輸送系統的輸送距離較長(cháng)。正壓輸送系統適于分散輸送，即一點(diǎn)向多點(diǎn)輸送，在輸送管線(xiàn)中，物料可在任意卸料點(diǎn)依靠物料的重力與輸送介質(zhì)實(shí)現分離。
(c)混和輸送系統
混和輸送系統是在同一輸送系統中將正壓輸送系統和負壓輸送系統聯(lián)用的一種輸送系統?；旌洼斔拖到y結合了正壓和負壓輸送系統的特點(diǎn)，因而可用于復雜的輸送條件。
(2) 按照料氣比，氣力輸送系統又可以分為稀相氣力輸送、濃相動(dòng)壓氣力輸送、濃相靜壓氣力輸送和筒式氣力輸送。
(a)稀相氣力輸送
稀相氣力輸送的特點(diǎn)在于輸送系統內氣流速度高，物料呈懸浮狀態(tài)，空隙率大。物料的輸送主要依靠氣流速度的動(dòng)能。稀相氣力輸送采用的速度通常為12～40m／s，料氣質(zhì)量比一般為1～5，*大不超過(guò)15。
(b)濃相動(dòng)壓氣力輸送
濃相動(dòng)壓氣力輸送的氣流速度一般在8～15m／s之間。濃相動(dòng)壓輸送中物料在管內呈密集狀態(tài)分布，依靠空氣的動(dòng)能來(lái)輸送。這類(lèi)氣送裝置有：高壓壓送、高真空吸送和流態(tài)化輸送。濃相動(dòng)壓輸送的料氣比變化范圍很大，高壓壓送與高真空吸送的料氣比大致在15～50之間，流動(dòng)狀態(tài)呈脈動(dòng)集團流；而對于易充氣的粉料，料氣比高達200以上，呈流態(tài)化輸送。
(c)濃相靜壓氣力輸送
濃相靜壓氣力輸送中物料密集而栓塞管道，依靠氣流的靜壓來(lái)推送物料。濃相靜壓氣力輸送可分為柱流和栓流兩種：柱流氣力輸送：密集物料連續地充塞管道內而形成料柱，料柱運動(dòng)速度低，一般為0．2--一2m／s，柱流氣力輸送僅適用于短距離輸送。栓流氣力輸送：人為地把料柱預先切割成較短的料柱，輸送時(shí)，氣栓與料栓相間分開(kāi)。栓流氣力輸送適用于中距離輸送。
(d)筒式氣力輸送
筒式氣力輸送是預先將需要輸送的物料裝入傳輸筒或筒車(chē)內，利用空氣的靜壓使傳輸筒或筒車(chē)在管道內滑行的輸送方法，適用于既難于懸浮，而又無(wú)法成栓的成件貨物的輸送，如火車(chē)上單據、文件的輸送，郵局中信件的輸送等。
（1）優(yōu)點(diǎn)
由于氣力輸送的輸送介質(zhì)(一般為空氣)在多數情況下到終點(diǎn)后即排入大氣，沒(méi)有回程，因此與其它輸送技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(a)管道路線(xiàn)靈活，占地面積*小?？筛鶕臻g條件合理設計管道路線(xiàn)布局，不受場(chǎng)地和空間限制；
(b)不污染環(huán)境，也不受環(huán)境污染。由于被輸送物料全部通過(guò)管道輸送，與外界隔離，因此不會(huì )對外界環(huán)境造成污染，尤其是負壓輸送系統；物料不受環(huán)境的影響，特別是對于化學(xué)不穩定物料，可采用惰性氣體作為輸送介質(zhì)實(shí)現物料的氣力輸送；
(c)輸送效率和自動(dòng)化程度高。由于輸送系統中沒(méi)有機械傳動(dòng)環(huán)節，因此不需要專(zhuān)人操作；
(d)可輸送距離長(cháng)?？梢酝ㄟ^(guò)分級輸送或采用混和輸送的方法延長(cháng)管道輸送距離；
(e)輸送過(guò)程中可以通過(guò)定量分流來(lái)實(shí)現各工藝過(guò)程直接的銜接。
（2）缺點(diǎn)
(a)與其他散狀固體物料輸送設備相比，氣力輸送系統動(dòng)力消耗較大，特
別是稀相氣力輸送系統。
(b)使用受到限制。氣力輸送系統只能用于輸送干燥、無(wú)磨琢性、有時(shí)還需要能自由流動(dòng)的物料。如果成品不允許破碎，則脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相氣力輸送。除非是特殊設計，否則易吸潮、結塊的物料也不宜采用氣力輸送系統。易氧化的物料不宜用空氣輸送，但可以采用帶有氣體循環(huán)返回的惰性氣體來(lái)代替空氣；
(c)輸送距離受到限制。至目前為止，氣力輸送系統只能用于比較短的輸送距離，一般小于3000m，對較粘的物料則更短，例如炭黑，目前其輸送距離在2000m以?xún)龋?br>(d)物料特性如堆積密度、粒度、粒子強度、休止角、磨琢性等的微小變化，都能造成操作上的困難；
(e) 易磨損、易堵塞、高能耗。
管道中物料的流動(dòng)狀態(tài)實(shí)際上復雜多變，物料顆粒有時(shí)會(huì )從氣流中分離出來(lái)，或者沉降在管底形成料團；或者黏附于管壁上并逐漸增厚。一旦在某個(gè)局部管段堆積的料團發(fā)展到充塞于整個(gè)管道戴向．而又滯留不動(dòng)時(shí)，就會(huì )導致輸送過(guò)程完全停止。這種現象，我們稱(chēng)為“堵塞”。
在輸送過(guò)程中經(jīng)常會(huì )出現管道堵塞現象，這給濃相氣力輸送的應用帶來(lái)了諸多不便, 其原因主要有：系統參數設定的影響、氣源的影響、被輸送介質(zhì)的影響、管道泄漏的影響、其它方面影響（如管道設計不合理等）。
為了防止堵管，要充分考慮各種因素對輸送性能的影響，保證輸送系統的*佳工作參數；輸送氣體做到清潔、干燥；定時(shí)清理輸送裝置和管道，定期進(jìn)行管道的修理，防止發(fā)生滲漏等。一旦發(fā)現堵管現象可立即采用“反抽”的方法進(jìn)行排堵。
磨損是指材料在使用過(guò)程中，由于表面受固體、液體或氣體的機械作用而引起材料的脫離或轉移而造成的損耗，但對于磨損的具體定義，目前還沒(méi)有定論，不同機構對磨損的定義不?。?br>（1）英國機械工程師協(xié)會(huì )把磨損定義為“由于機械作用而造成的物體表面材料的逐漸損耗。
（2）前蘇聯(lián)克拉蓋爾斯基認為磨損是“由于摩擦結合力的反復擾動(dòng)而造成的材料破壞。
（3）美國材料試驗學(xué)會(huì )(ASTM)標準關(guān)于磨損的定義是“由于物體表面且相接觸的物質(zhì)問(wèn)的相對運動(dòng)造成的物體表面的損傷，還常有材料的逐漸損失。
（4）1979年修訂的Din50320將磨損定義為“磨損是一個(gè)物體由于機械的原因，即與另一個(gè)固體的、液體的或氣體的配對件發(fā)生接觸和相對運動(dòng)，而造成的表面材料不斷損失的過(guò)程。
磨損是一個(gè)極為復雜的過(guò)程，其研究工作相對于摩擦要晚，20世紀50年代初期才開(kāi)始在工業(yè)發(fā)達國家有“黏著(zhù)磨損”理論的研究。20世紀60年代以后，由于分析測試手段(如電子顯微鏡、光譜儀、能譜儀、俄歇譜儀、電子衍射儀等)的迅猛發(fā)展和放射性同位素示蹤技術(shù)、鐵譜技術(shù)的大量應用，磨損研究在磨損力學(xué)、機理、失效分析等方面有了迅速發(fā)展。磨損的分類(lèi)根據不同標準可有不同的分類(lèi)方法，如按機制、按表面接觸性質(zhì)、按環(huán)境和介質(zhì)劃分等。從磨損的機制來(lái)分，磨損可分為黏著(zhù)磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕磨損。
（1）黏著(zhù)磨損。黏著(zhù)磨損是在法向加載下，兩個(gè)相對滑動(dòng)的表面在摩擦力的作用下，表面發(fā)生破裂，分子力的作用使兩個(gè)表面發(fā)生焊合，強度較高的材料表面黏附對摩件的金屬。黏著(zhù)磨損一般可分為磨合階段、穩定磨損階段和加速磨損階段。
（2）磨料磨損。磨料磨損是由于硬顆?；蛲黄鹞镌谂c摩擦副表面的相互接觸過(guò)程中，使材料產(chǎn)生遷移的現象。磨料磨損一般由多種磨損機理引起，而且隨著(zhù)磨損條件的變化，會(huì )從一種磨損機理轉變?yōu)榱硪环N磨損機理。
（3）腐蝕磨損。腐蝕磨損是一種考慮環(huán)境介質(zhì)因素的磨損過(guò)程，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復雜磨損過(guò)程。
（4）疲勞磨損。疲勞磨損主要發(fā)生在承受周期性的接觸載荷或交變應力的零件表面上。疲勞磨損是兩個(gè)接觸體相對滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區形成的循環(huán)應力超過(guò)材料的疲勞強度時(shí)，在表面層引發(fā)裂紋，并逐步擴展，*后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的過(guò)程。
（5）微動(dòng)磨損。由于機械振動(dòng)引起的緊密配合的零件接觸表面間產(chǎn)生的小幅的相對振動(dòng)而產(chǎn)生的微動(dòng)磨損。
（6）沖蝕磨損。沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)，表面出現破壞的一類(lèi)磨損現象。這類(lèi)磨損通常是由于流體或固體顆粒以一定速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的。沖蝕磨損所研究的松散顆粒一般小于1000p,m，沖擊速度在550m／s以?xún)?。磨損是一種普遍存在的現象，凡兩個(gè)物體相互接觸并有相對運動(dòng)的表面都會(huì )發(fā)生磨損，磨損造成的危害和損失是十分驚人的。統計數據顯示：美國每年因磨損造成的經(jīng)濟損失占其國民生產(chǎn)總值的4％；我國每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失在1000億人民幣以上?，F今世界能源消耗的l／3～1／2是因為摩擦和磨損造成的。從材料消耗的角度來(lái)說(shuō)，約80％的機械設備失效是由磨損引起的。管夾閥,箍斷閥
我國有關(guān)部門(mén)的統計結果表明，僅在冶金礦山、建材、電力、煤炭和農機等5個(gè)行業(yè)中，因設備構件與沙土、礦石、水泥、煤炭等物料接觸導致的磨損所消耗的金屬材料達300萬(wàn)t以上，磨損占生產(chǎn)成本相當大的比例，如礦山在碎礦、磨礦過(guò)程中所消耗的耐磨材料占其選礦成本的一半。張嗣偉教授在2004年我國工程院與國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合召開(kāi)的“摩擦學(xué)科與工程前沿研討會(huì )”上指出，中國每年由于摩擦、磨損損失584．7億元，而2003年國內工礦企業(yè)在此方面的節約潛能約400億元。氣力輸送系統中管道的磨損是一種典型的沖蝕磨損，管線(xiàn)中的構件，特別是異型構件(如彎頭、三通、變徑管等)的沖蝕磨損是引起系統失效的主要原因之一，彎頭的磨損可高于直管的50倍。沖蝕磨損己經(jīng)成為許多零件和設備材料破壞的原因之一，如空氣中的塵埃和砂粒如果浸入直升機發(fā)動(dòng)機內，可降低其壽命的90％；火力發(fā)電廠(chǎng)粉煤灰鍋爐燃燒的尾氣對換熱器管路的沖蝕而造成破壞大致占管路破壞的1／3，其*小壽命只有16000h；煉鐵高爐返礦氣力輸送管道壽命有時(shí)僅有3個(gè)月；風(fēng)機因沖蝕磨損而導致的停機停產(chǎn)在冶金行業(yè)中占風(fēng)機故障的一半以上。
根據介質(zhì)不同沖蝕磨損可分為兩大類(lèi)：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動(dòng)介質(zhì)中攜帶的**相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅(氣泡)，從而對材料表面施加機械力。如果按流動(dòng)介質(zhì)及**相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類(lèi)型。表1．2是沖蝕磨損分類(lèi)及實(shí)例。表1-2沖蝕磨損分類(lèi)及實(shí)例關(guān)于沖蝕磨損的研究，*早可以追溯到19世紀初。早在1807年，Young就曾著(zhù)文討論了噴砂問(wèn)題。*早在沖蝕磨損理論方面取得成果的是Finnietl 71，他在1958年提出了**個(gè)沖蝕理論—微觀(guān)切削理論，并提出了體積沖蝕率與入射角、粒子速度、靶材流出應力的關(guān)系式。此后，研究者相繼提出了多種沖蝕磨損理論和模型對材料的沖蝕行為進(jìn)行解釋。但到目前為止，還沒(méi)有一種理論或模型能夠**的解釋不同材料的沖蝕問(wèn)題。在現有的沖蝕理論中，較為研究者廣泛認同的有塑性材料的微觀(guān)切削理論、變形磨損理論、沖蝕脫層理論、鍛造擠壓理論、脆性材料的彈塑性壓痕破裂理論以及二次沖蝕理論。其中介紹單點(diǎn)沖蝕的切削模型如下：Hutchingsll91用高速攝影法觀(guān)察單個(gè)球形粒子及立方粒子以30。攻角沖擊金屬表面的情況，根據實(shí)驗結果提出犁削和兩種切削模型，見(jiàn)圖2-1。
圖2-1幾種典型沖蝕坑側切面示意圖
Hutchings只做了低攻角下的單顆粒實(shí)驗，其它的一些實(shí)驗觀(guān)察表明，多角粒子也不易出現上述典型情況。Budinski將單點(diǎn)沖蝕劃分為四類(lèi)，如圖2-2;a)點(diǎn)坑型沖蝕，類(lèi)似于硬度壓頭的對稱(chēng)性菱錐體粒子正面沖擊造成的；
b)犁削，類(lèi)似于犁對土地造成的溝，凹坑的長(cháng)度大于寬度，材料被擠到溝；
c)鏟削，在凹坑末端堆積材料而鏟痕兩側幾乎不出現變形；
d)切片，凹坑淺，由粒子斜掠而造成的痕跡。
圖2-2沖蝕破壞的四種基本類(lèi)型
a)點(diǎn)坑 b)犁削 c)鏟削 d)切片
影響氣力輸送管道沖蝕磨損的因素主要從粒子性質(zhì)與輸送參數兩個(gè)方面考慮，如下的幾點(diǎn)就是這兩方面的各個(gè)體現。
（1）粒子粒度
粒子粒度對彎頭沖蝕磨損的影響與常規沖蝕磨損影響規律類(lèi)似，即對于不同氣力輸送條件下的沖蝕磨損，粒徑都存在極限值。當粒子粒徑大于極限值時(shí)，磨損量趨于穩劇。研究表明沖蝕磨損率隨粒子粒度增大而迅速增大。
（2）粒子強度
粒子強度主要是影響粒子在輸送過(guò)程中的破碎難度與破碎率，以及由此引起的二次磨損。在氣力輸送特別是稀相氣力輸送條件下，被輸送物料的平均粒徑隨經(jīng)過(guò)彎頭數量的增加而呈減小的趨勢。這種粒徑減小的趨勢越明顯，相應材料對彎頭造成的沖蝕磨損率越高，也就是說(shuō)，粒子在輸送過(guò)程中越容易破碎，則其產(chǎn)生的沖蝕磨損率越高，
（3）粒子形狀
粒子形狀對沖蝕磨損的影響主要體現為其對磨損機理的影響。粒子沖擊靶材時(shí)，粒子與靶材的接觸面積決定了兩者之間作用強度。尖角形粒子對塑性材料表面的沖蝕多為切削型磨損，球形粒子沖蝕所產(chǎn)生的磨損主要表現為塑性變形磨損。
（4）輸送速度
介質(zhì)速度是影響沖蝕磨損率的*大因素，這也是本文討論的核心之一。管夾閥,箍斷閥
（5）物料濃度
隨著(zhù)粒子濃度的增大，彎頭的總質(zhì)量損失降低，即單位質(zhì)量粒子造成的沖
蝕磨損量降低，由于懸浮濃度的增大，粒子間撞擊的幾率也增大，撞擊管壁的粒子動(dòng)能降低。
（6）沖擊角
沖擊角是指入射粒子軌跡與靶材表面之間的夾角。沖擊角的不同主要影響了粒子沖擊靶材時(shí)動(dòng)能的切向和法向分量，以及在沖擊過(guò)程中的能量消耗。對于沖擊粒子來(lái)說(shuō)，動(dòng)能切向分量是產(chǎn)生切削，而法向分量則是影響粒子壓入靶材表面的深度，兩者共同決定著(zhù)磨損量。
為了減少磨損對生產(chǎn)造成的影響，工業(yè)上采取了多種措施來(lái)降低氣力輸送管道的磨損，延長(cháng)管道的使用壽命， 對于管道外形的優(yōu)化設計和材料優(yōu)選都是比較好的減磨方法。本課題主要從管道外形的優(yōu)化設計方面來(lái)考慮以期達到減磨的目的。由于影響氣力輸送管道磨損的因素很多，本文著(zhù)重在壓力損失與氣體、顆粒的出口速度方面通過(guò)管道變徑的優(yōu)勢來(lái)研究磨損問(wèn)題。實(shí)驗表明管道的變徑后的管道可以減少壓損與氣體、顆粒的出口速度。**章主要建立了壓力損失的模型。
料氣輸送比,通常指他們的重量或者質(zhì)量流量比,即流過(guò)管道截面的物料與空氣的流量比,簡(jiǎn)稱(chēng)混合比,可表示如下：
式中 為空氣流量( )
為物料流量或輸送量( )
物料在垂直管道中處于懸浮狀態(tài),是氣力輸送的特點(diǎn).其機理可做如下闡釋?zhuān)喝绻麣饬鞯纳仙俣?nbsp;等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度 時(shí),物料就會(huì )懸浮在氣流中,這樣便具備了氣力輸送的基本條件。此時(shí)氣流速度稱(chēng)為該物料的懸浮速度 。
空氣流量由輸送量(物料)與混合比的關(guān)系算出以后,一旦選定管內氣流速度,便可以計算輸送管徑,因而氣流速度是氣力輸送中的一個(gè)重要參量。但是由于物料占據了管道一定的截面,而管道的截面積為,則空氣通過(guò)凈面積的真實(shí)速度要比氣流速度要高。氣流的真實(shí)速度總是大于氣流的視在速度。當管道某一截面上物料增多時(shí),物料占據的面積增加,從而使氣速增加,物料便自動(dòng)加速。
在氣力輸送系統中摩擦系數包括空氣流動(dòng)摩擦系數 與物料流動(dòng)摩擦系數 。管道內的壓力損失計算是氣力輸送計算的關(guān)鍵，它是確定輸送壓力、空氣量、管道直徑等輸送系統參量的必需手段，是氣力輸送計算方法的核心。在計算管道沿程壓力損失中，通常要算及氣流的壓力損失與物料流動(dòng)的壓力損失，這兩者壓力損失之和是整個(gè)沿程壓力損失的主要部分。理論與實(shí)驗都證明，物料流動(dòng)的壓力損失占整個(gè)氣力輸送壓力損失的大部分，所以對于物料流動(dòng)的摩擦系數選取尤其重要。
如圖3-1所示,假設物料的運動(dòng)速度為 ,在 時(shí)間內移動(dòng) 距離,則 = / ,若單位時(shí)間內的輸送物料的流量為 ,則 時(shí)間內輸送距離便可寫(xiě)成:
圖3-1管道內物料運動(dòng)示意圖
在 物料中，有著(zhù)三個(gè)作用力，三個(gè)作用力的總和決定物料的運動(dòng)方程，下面逐一敘述：
（1）物料顆粒與管壁間的摩擦和顆粒相互間碰撞的阻力；物料在管道中運行時(shí)，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動(dòng)快的顆粒相撞，又發(fā)生運動(dòng)量的交換，較快的顆粒減慢，而較慢的顆粒卻加快。這種過(guò)程類(lèi)似空氣在管道中做紊流運動(dòng)時(shí)的情形。
對于氣流做湍流流動(dòng)時(shí)，所引起的管壁的摩擦力計算公式由參考書(shū)可查到：
其中： 為空氣對管壁的摩擦剪應力：
為微小單元管長(cháng)
為管道直徑
物料對管壁摩擦時(shí)，由于物料顆粒在輸送管中的運動(dòng)極為復雜，因此要確切地表示顆粒所受的管壁作用力是相當困難的。但是可以近似地把物料顆粒在管道截面均勻分布的情形仿照氣體湍流時(shí)的情形來(lái)表示。去輸送段的微小單元長(cháng)，在這單元體積內具有的物料量，則物料與管壁的摩擦阻力為：
（2—1）
其中： 為管壁對物料的摩擦剪應力
對比并近似對照氣體在管道流動(dòng)摩擦壓損理論
代入可得：
（2）氣流對顆粒的粘性阻力
（2—2）
式中K為系數
當Ret<1時(shí),K=1管夾閥,箍斷閥
當Ret=1~500時(shí),K=0.5
當Ret>500時(shí),K=0(其中Ret為顆粒雷諾數)
（3）由重力引起的阻力
重力所引起的阻力不僅要使物料懸浮在管道中，而且還要提升物料。物料提升 所需的空氣推力為
（2—3）
式中 為重力引起的壓損
根據重力理論，欲使顆粒懸浮和提升所需的能量，應等于空氣消耗的能量，若物料以速度通過(guò)管長(cháng)所需的時(shí)間為 ，物料的懸浮速度為 ，則單位時(shí)間懸浮物料所需能量為 ，另外，單位時(shí)間物料提升高度所需能量為 ，則有：
（2—4）
式中 為空氣體積流量
把（2—4）代入到（2—3）得：
（2—5）
（4）物料運動(dòng)方程
物料量的運動(dòng)方程為
（2—6）
把（2—1）、（2—2）、（2—3）代入（2—6）得
（2—7）
（1）壓力損失的概念
在氣力輸送過(guò)程中，物料輸送所需要的能量是通過(guò)空氣壓力的降低來(lái)給予的，這個(gè)空氣壓力的降低通常稱(chēng)之為壓力損失，也即從管道的進(jìn)口（inlet）到出口（outlet）的壓力的降低。有關(guān)物料輸送的壓力損失的計算方式大致可以分為均布理論，重力理論和能量理論。
(a)均布理論
均布理論的假定：物料顆粒在水平管道截面上是均勻分布的，物料運動(dòng)速度與空氣運動(dòng)的速度是相同的，從而物料的運動(dòng)阻力與純空氣運動(dòng)的阻力相似，只考慮物料運動(dòng)的摩擦壓損。
(b)重力理論
重力理論認為：物料運動(dòng)壓損不僅考慮摩擦阻力，而且還應考慮物料重力壓損。因此，重力理論假定：鉛垂直管道中物料運動(dòng)的速度低于空氣運動(dòng)速度，其差值等于顆粒的懸浮速度.
因此，要使顆粒懸浮所需的能量，應等于空氣所消耗的能量。重力理論還認為：在水平管道中懸浮物料所需的能量近似地等于鉛垂直管道中懸浮物料所需的能量。
(c)能量理論
能量理論認為，氣固兩相流運動(dòng)中，物料顆粒的水平管道截面中大多數情況下并不是均勻分布的，物料的速度低于空氣運動(dòng)的速度。它依靠空氣和物料運動(dòng)的速度差產(chǎn)生的作用力傳遞能量，使物料顆粒保持懸浮，并克服顆粒與管壁、以及顆粒彼此之間的沖擊和摩擦阻力。
（2）壓力損失的計算
根據能量理論，氣力輸送的壓力損失包括加速損失，重力引起的壓力損失。
(a)加速損失
設物料的加速損失為 ，則在管道截面 上作用在物料上的加速力為 ，在這個(gè)加速力的作用下，物料速度從 加速到 1，根據動(dòng)量定律可寫(xiě)為：
由上式變形得：
所以：
設純空氣的加速度壓損為 ,同理可根據動(dòng)量定律得：
所以：
根據以上的推導,得到加速引起壓力損失的表達式：
(b)摩擦損失
物料在管道中運動(dòng)時(shí)，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動(dòng)比較快的顆粒相互撞擊，又發(fā)生運動(dòng)量的交換，比較快的顆粒減慢；而比較慢的顆粒卻加快。上節提出單位質(zhì)量顆粒在運動(dòng)中所受到的顆粒與管壁的摩擦以及顆粒相互間碰撞的阻力為
那么此阻力引起的空氣壓損
將代入得
(c)重力引起的壓力損失
根據重力理論,要使顆粒懸浮和提升所需的能量,應等于空氣所消耗的能量.由以上知重力所引起的阻力 如下所示：
則克服重力 所引起的壓力損失 為對于閥類(lèi)關(guān)鍵部位的設計我借助了變徑管道的相關(guān)研究理論,一般在設計氣力輸送管道時(shí)由于輸送過(guò)程中空氣能量不斷損耗，壓力沿輸送長(cháng)度逐漸降低，這樣，氣體密度下降，空氣產(chǎn)生膨脹，氣流速度加快。相應導致系統壓力損失增加，管道磨損加劇，物料破碎嚴重。因此，為解決這些問(wèn)題，可以把輸送管道設計成變徑管道，使每一管徑區段內，在保證可靠輸送的情況下，氣流速度穩定在一定的范圍內。
設計變徑管道系統時(shí)，應遵循的變徑原則是：壓力盡量低，變徑管道的任一處的空氣速度不能低于系統可靠輸送的*小速度，既滿(mǎn)足如下約條件：
據資料表明，Wypych以煤粉為例對變徑管進(jìn)行實(shí)驗研究，輸送量24t／h，輸送距離1800 m時(shí)，可以采用Fmb=6，足以滿(mǎn)足輸送極限。數據如表1所示。
由試驗數據可知，在相同的入口流速下，當輸送管后段直變大后，流速隨之下降。比較表中3組數據，單一管徑(127mm)輸送時(shí)，壓降595kPa，出口流速達到46．1m／s；采用**變徑管(在683m處變徑為管徑154mm)輸送時(shí)，壓降為458kPa，壓損減少137kPa；而采取第3組數據輸送時(shí)，料氣比*大，出口氣速、壓損和耗氣量都*小?？梢?jiàn)采用二級變徑(第3組數據)*有利于輸送。
很明顯通過(guò)變徑處理后，該氣力輸送管道的壓損、出口氣速、耗氣量的減小，所以接下來(lái)本文將上敘的理論應用到關(guān)鍵部位改進(jìn)當中。
有一小型出糠機局部管道的進(jìn)口（inlet）速度要求為10 ，其改進(jìn)前的尺寸如下圖4-1所示：
圖4-1
建模
Gambit是一個(gè)集建模、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件為一體的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，它廣泛地應用在CFD及其它科學(xué)工程領(lǐng)域，具有友好的GUI界面和可操作性，逐漸成為了****的專(zhuān)用前處理軟件。將Gambit生成的網(wǎng)格信息導入Fluent中，便可進(jìn)行后續的計算及分析。Gambit的操作步驟分為3步：構造幾何模型、劃分網(wǎng)格、指定邊界類(lèi)型和區域類(lèi)型。完成3個(gè)步驟后，將帶有邊界信息的網(wǎng)格模型存盤(pán)（文件擴展名為*.dbs）或輸出為專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)格文件（*.msh），供CFD求解器讀取。下面將詳細介紹。
對于Gambit的構建幾何圖形有好多方法，如將其他如CAD、PRO/E、UG等軟件構造好的圖形導入到Gambit中，還有就是Gambit自帶的三維、二維設計工具，但復雜圖形還是用其他軟件做好再導入比較方便，Gambit主要功能還是在劃分網(wǎng)格上。本文都是先用CAD軟件先建好二維模型，然后到Gambit中建成三維再劃分網(wǎng)格或者直接將CAD軟件建好的二維圖形導入Gambit劃分網(wǎng)格。
（1）打開(kāi)Gambit, 新建一個(gè)名為“liqiang”的新文件。如下圖4-2所示：
管夾閥,箍斷閥
圖4-2
（2）在CAD創(chuàng )建圖4.1所示的左示圖，由于Gambit中的圖形在劃分網(wǎng)格必須是面或者是體（道理很簡(jiǎn)單，因為我們制造的管道在FLUENT中模擬時(shí)是作為管道內流體所組成的輪廓），所以在CAD中按住Region(面域)命令框選中圖形從而創(chuàng )建出一個(gè)域，然后再框選出已經(jīng)做好的域輸出在所要存放的硬盤(pán)中去,其中要輸出的圖形保存時(shí)必須為“sat“為后綴的類(lèi)型。完成好上面的步驟后再從Gambit中導入（import）后得到如下圖4-3所示：
圖4-3
（3）在Operation中依次選擇Geometry>Sweep Face,在Sweep Face中的path中選擇vector點(diǎn)擊Magnitude并且在其中輸入300如圖4-4。然后在Sweep Face中的Faces中選擇Face1,完成以后再按Apply將得到圖4-5：
圖4-4
圖4-5
正確地劃分網(wǎng)格是非常重要的，只有這樣，才能在Fluent中正確地分析流場(chǎng)，得到比較正確的結果。
(1) 劃分體網(wǎng)格。
依次點(diǎn)擊圖4-6中的按鈕，彈出“Mesh Volumes”對話(huà)框，選擇視窗中的管道，在“Interval size”里填40（不需要很小的網(wǎng)格，只要能比較正確地模擬就可以了，太小的網(wǎng)格計算量太大），其它選項接受默認，如圖4-7所示。劃分后的網(wǎng)格見(jiàn)圖4-8：
圖4-6 圖4-7
圖4-8
劃分了網(wǎng)格后，需要進(jìn)行邊界條件的定義。正確地描述問(wèn)題，就需要正確地定義邊界條件（這里的邊界條件可在Fluent中修改）。
(1) 定義入口為速度入口（VELOCITY_INLET）。
選擇Operation——Zones，彈出“Specify Boundary Types”對話(huà)框。在“Entity”中選擇“Faces”，然后選擇在“Name”中填入入口的名字“inlet”，在“Type”中選擇“VELOCITY_INLET”，點(diǎn)擊“Apply”確認，就完成了速度入口的定義。
(2) 定義出口為流動(dòng)出口（OUTFLOW）。
依照上面的方法將另一底面定義為OUTFLOW，命名為“outflow”。
(3) 定義壁面為壁面（WALL）。
只要定義好進(jìn)口出口，其他面默認為壁面，所以不用設置。結果如圖4-9所示。
依次點(diǎn)擊“File”-“Export”-“Mesh”，將網(wǎng)格文件導出為“liqiang.msh”。
進(jìn)行了以上的步驟后，就可導入Fluent中進(jìn)行計算和分析了
圖4-9
FLUENT是目前處于****地位的CFD軟件之一，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動(dòng)，廣泛用于模擬各種流體流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運移等問(wèn)題。
從本質(zhì)上講，FLUENT只是一個(gè)求解器。FLUENT本身提供的主要功能包括導入網(wǎng)格模型、提供計算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、求解和后處理。所以本文采用FLUENT作為計算手段。下面將詳細介紹具體的步驟。
為了保證在FLUENT中計算的正確性，確保網(wǎng)格的正確是必要的。特別要注意控制臺窗口中的*小體積分數，為正才是正確的；如果為負，對應的網(wǎng)格就不能用于計算，需要再次修改網(wǎng)格。
讀入網(wǎng)格，點(diǎn)擊“Grid”-“Check”，控制臺窗口中的信息如圖4-10所示?？梢钥闯?，“minimum volume”的值為正，所以網(wǎng)格是合格的。
圖4-10
點(diǎn)擊“Grid”-“Scale”，在彈出的“Scale Grid”對話(huà)框的“Grid Was Created In”里選擇“mm”，單擊“Scale”完成。如圖4-11所示。
圖4-11
檢查網(wǎng)格以后，就要定義模型的類(lèi)別和各種邊界條件，使計算收斂；如果計算不收斂，就需要不斷地修改、計算，直到收斂為止。
依次單擊“Define”-“Models”-“Solver”，彈出Solver對話(huà)框。
Fluent中提供了三種不同的求解方法：分離隱式解（Pressure Based，Implicit）、耦合隱式解（Density Based，Implicit）和耦合顯式解（Density Based，Explicit）。分離隱式解主要用于不可壓縮或壓縮性不強的流體流動(dòng)。耦合求解方法用在高速可壓縮流動(dòng)。本課題采用的氣體入口速度為15m/s，這個(gè)速度算低速，在低速下的氣體可以看作是不可壓縮的，所以這里選擇分離隱式解。其它的參數如下圖4-12所示。
圖4-12
在Fluent中，共有三種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文采用歐拉模型來(lái)模擬低速濃相懸浮輸送氣固兩相流，將顆粒相視為擬流體來(lái)建立模型。點(diǎn)擊“Define”-“Models”- “Multiphase”，彈出“Multiphase Model”對話(huà)框，設置如圖4-13所示。
圖4-13
因為要進(jìn)行能量方程的計算，所以需要在“Define”-“Models”- “Energy”中選中能量方程復選框，如圖4-14所示。
圖4-14
本文選擇修正的k-epsilon兩方程模型進(jìn)行模擬，壁面處選擇標準壁面函數進(jìn)行模型修正。k-epsilon多相流模型選擇“Per Phase”，即紊流傳遞起重要作用時(shí)，為每一相求解一套k-epsilon方程。其它參數保持默認，如圖4-15。
圖4-15
這里只需定義顆粒材料，對于空氣，系統已經(jīng)給出。點(diǎn)擊“Define”-“Materials”，在“Name”框中輸入“Solid”，在“Properties”里的“Density”選項里填入顆粒密度：1200(kg/m3)，點(diǎn)擊“Change/Create”，再彈出的對話(huà)框里選擇“No”，即不覆蓋空氣材料。完成后如圖4-16所示。
圖4-16
點(diǎn)擊“Define”-“Phase”，點(diǎn)擊“Phase-2”-“secondary-phase”-“Set…”，在彈出的對話(huà)框中將“Phase Material”設為“Solid”，即**相為顆粒相。選中“Granular”，輸入顆粒直徑0.0001m，顆粒粘度選擇“syamlal-obrien”（按 計算），顆粒體積粘度選擇“lun-et-al”（按 計算），其它保持默認值。完成后如圖4-17所示。
圖4-17
由于要考慮顆粒受到的重力作用，所以要加上重力加速度。點(diǎn)擊“Define”-“Operating Conditions”，在彈出的對話(huà)框中勾選“Gravity”項，在“Y”方向上填入重力加速度值9.8（也可以設置為-9.8，因為這兩個(gè)方向的改變相當于相對的參考系發(fā)生變化，理論上不會(huì )影響計算）。如圖4-18所示：
圖4-18
點(diǎn)擊“Define”-“Boundary Conditions…”，彈出“Boundary Conditions”對話(huà)框，“Zone”中為定義的各個(gè)邊界，“Type”中為要指定的邊界條件的類(lèi)型，在“Phase”選項框中可以為每一項指定不同的邊界條件。
(1) 定義“fluid”為“fluid”。
(2) 定義“inlet”為“velocity-inlet”。定義氣相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase1”，在“Momentum”中，將進(jìn)口速度設為15m/s。
圖4-19
(3) 定義顆粒相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase2”，在“Momentum”中，將進(jìn)口速度設為14m/s（固相速度小于氣相）在“Granular Temperature”（顆粒溫度）中填入0.0002，如圖4-20所示。
圖4-20
(4) 定義“outlet”為“outflow”。
(5) 定義“wall”為“wall”。在“Roughness Height”中填入壁面粗糙度高度為0.0002m，“Roughness Constant”（壁面粗糙度系數）為0.5。如圖4-21所示。
圖4-21
定義完模型后，便可進(jìn)入求解階段。點(diǎn)擊“Solve”-“Controls”-“Solution…”，打開(kāi)“Solution Controls”（控制方案）對話(huà)框。在控制條件中，選擇“Pressure-Velocity Coupling”（壓力—速度耦合）下的“Phase Coupled SIMPLE”方法。在“Under-Relaxation Factors”（低松弛因子）下，將“Volume Fraction”（體積分數）和“Granular Temperature”（顆粒溫度）設為0.3，其余保持默認。在“Discretization”（離散化）中，選擇“Volume Fraction”的離散化方法為“QUICK”，其余都選擇“Second Order Upwind（二階迎風(fēng)）”（這是為了增加計算的精度）。如圖4-22所示。
圖4-22
在迭代開(kāi)始前，需要設置初始條件。這是為了給各個(gè)方程的變量提供初始值，以便進(jìn)行迭代計算。初始值設置的好壞對于模型能否收斂有很大的影響。
點(diǎn)擊“Solve”-“Initialize”-“Initialize…”，打開(kāi)初始值設置對話(huà)框。從“Compute From”下選擇進(jìn)口（inlet）的各變量值作為初始條件，如圖4-23所示。
圖4-23
為了判斷所求問(wèn)題的收斂性，需要監視殘差。當迭代過(guò)程中的殘差值低于所設置的某個(gè)值時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)收斂，此時(shí)可以停止迭代；如果殘差值不能低于所設置的值時(shí)，說(shuō)明模型的條件設置有錯，需要重新定義。
點(diǎn)擊“Solve”-“Monitors”-“Residual…”，在彈出的對話(huà)框中勾選“Plot”（即在圖形窗口中繪制殘差圖），計算結果要達到的殘差值保持默認，即當殘差為0.001時(shí)，計算收斂。其它值保持默認，如圖4-24所示。
圖4-24
點(diǎn)擊“Solve”-“Iterate…”，輸入迭代數1000（如收斂，便可停止迭代），其它保持默認，如圖4-25所示：
圖4-25
點(diǎn)擊“Iterate”開(kāi)始迭代，迭代81步后殘差收斂，此時(shí)點(diǎn)擊“Cancel”停止迭代，如圖4-26，圖4-27所示：
圖4-26
圖4-27管夾閥,箍斷閥
迭代完成后，點(diǎn)擊“File”-“Write”-“Case&Date…”保存文件。然后便可進(jìn)行一系列的后處理，以便進(jìn)一步分析所得結果，了解模型各參數的變化情況，并參考相關(guān)文獻，判斷模型的正確性。
結果簡(jiǎn)要分析與改進(jìn)
上面FLUENT里面的設置的參數其實(shí)就是構造模型在以后仿真時(shí)的環(huán)境參數。接下來(lái)本文主要從壓損和速度方面來(lái)分析上敘的管道模型。壓損和速度兩方面是*能體現管道即將磨損的程度，當壓力損失增加時(shí)，由第三章或者有能量守恒知道，管道傳送顆粒的所要克服的阻力所做的功也隨之增加（即轉化為阻力能），這樣也就增加了顆粒與管道的磨損。當速度過(guò)大時(shí)，顆粒對管道在變截面時(shí)的沖擊力也隨之增加，從而增大了對管道制造材料的要求，在同種材料管道進(jìn)行比較時(shí)，速度過(guò)大的管道磨損相對要嚴重的多。通過(guò)后處理，可以顯示出各種不同因素的變化曲線(xiàn)圖或云圖，來(lái)獲得相應的信息。常規模型的有關(guān)速度與壓力的計算結果如圖所示：
圖4-28速度矢量分布圖
圖4-29壓力分布圖
通過(guò)對圖中現象分析可知：
（1） 從速度分布圖上可以看出，顆粒流過(guò)管道時(shí)，出口速度有明顯增加現象。
（2） 從壓力分布圖上可以看出，顆粒流過(guò)管道時(shí)，壓力損失比較大。
改進(jìn)后的模型：
圖4-30
圖4-31速度分布圖
圖4-32壓力分布圖
改進(jìn)后的模型出口速度明顯減小，壓力損失也在減小。
`
改進(jìn)
5.1原閥件的引入
一種由70％左右的煤粉，30％左右的水和添加劑混合制備而成的液體，可以象油一樣泵送、霧化、儲運，并可直接用于各種鍋爐、窯爐的燃燒。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保節能優(yōu)勢，對于在現實(shí)中出現的水煤漿閥關(guān)鍵部位構造三維圖形如下圖5-1，下面簡(jiǎn)要對水煤漿閥的關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
圖5-1
5.2通過(guò)GAMBIT建模并劃分網(wǎng)格
由于上敘模型為軸對稱(chēng)圖形，接下來(lái)利用二維模型來(lái)建模和劃分網(wǎng)格如圖5-2所示
圖5-2
5.3結算結果及其分析
在FLUENT里面的設置與前所敘出糠機局部管道的設置相同，有關(guān)速度壓力方面的計算結果如下5-2，5-3，5-4，5-5：
圖5-3
圖5-4
圖5-5
改進(jìn)后模型與結果如圖5-6，5-7，5-8，5-9：
圖5-6
圖5-7
圖5-8
圖5-9
表5-1改進(jìn)前與改進(jìn)后參數數值結果比較表
模型 出口平均流速(m/s) 壓力損失
（pa）
改進(jìn)前 49.56711 8.386E5
改進(jìn)后 35.63549 7.286E5
從表5-1的數值結果比較可知，在同樣進(jìn)口的大小與速度的條件下，改進(jìn)后模型和改進(jìn)前模型的壓力損失相對變化不大，出口平均速度值有明顯減小。在所研究的上敘模型中，基本上是局部壓力損失，主要是因為管徑的變化而引起了流速的突然變化，在局部地區形成的死水區或旋渦，使得流體在此區域內并不參與主流流動(dòng)，只是不斷的打旋，流體顆?；ハ嗯鲎捕a(chǎn)生能量損失，經(jīng)過(guò)模型改進(jìn)后管道內*小負壓值明顯降低了，進(jìn)而磨損也就降低了。
20世紀90年代以來(lái)，大量的科技工作人員不斷地對氣力輸送系統進(jìn)深入的研究，取得了一系列的成果，特別是在提高氣力輸送效率的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：壓降，磨損等方面，成績(jì)尤為突出，R.PanJ.和Chambers提出氣力輸送系統中兩個(gè)主要問(wèn)題：壓降和*小傳送條件，指出流動(dòng)特性和散裝顆料原料的特性對這兩個(gè)參數的影響。而從本文得出的結論有：
（1）入口氣體速度越大，顆粒平均速度越大，顆粒速度分布越均勻；顆粒濃度分布越均勻，沉積在管底的顆粒越少；顆粒平均濃度越??；平均氣速越大，氣速分布越均勻；若入口氣速低于一定值，管道可能會(huì )發(fā)生堵塞。
（2）通過(guò)優(yōu)化管道外形能使壓力損失減小與氣體顆粒出口速度的減少。
（3）變徑管道的優(yōu)勢可用在閥類(lèi)等關(guān)鍵部分的管道中，以減少能量損失與磨損。
經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導師的督促指導，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師樓建勇與杜學(xué)文。
衷心感謝導師樓建勇教授兩年來(lái)的細心指導和大力支持，在我求學(xué)的過(guò)程中，樓老師給予了精心的指導以及無(wú)私的幫助。樓老師在學(xué)業(yè)上的教導，一言一行更使我受益終生。
杜老師也在百忙之中抽出時(shí)間給我們單獨輔導，使我在較短時(shí)間掌握思路與運用方法。
感謝所有被引用文獻的作者！
氣力輸送系統廣泛應用于原料的輸送、除塵等。由于所輸送的物料，如篩分車(chē)間輸送的固體顆粒及煙塵等，具有密度大、硬度高、尖銳角突出等特點(diǎn)，加之輸送介質(zhì)速度高，氣力輸送管道尤其是管道彎頭的磨損情況十分嚴重，已經(jīng)影響到工業(yè)生產(chǎn)的連續性和生產(chǎn)**。氣固兩相流關(guān)鍵部位的磨損問(wèn)題的解決對節約原料有重大意義，是節能降耗的有力體現。
氣力輸送系統管道不僅應用范圍廣泛， 而且應用效果也非常顯著(zhù)。 本課題在傳統的氣力輸送的基礎上對閥件關(guān)鍵部位的管道與普通管道做了比較，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設計，在這同時(shí)借用Fluent軟件工具來(lái)模擬氣力輸送的管道系統，通過(guò)一些條件的設立得到結果，并將不同條件下的結果進(jìn)行對比，來(lái)分析氣力輸送中存在的流動(dòng)的不穩定因素、造成堵塞的機理以及減少磨損的方法。
本文中提出的是氣力輸送變截面管道， 通過(guò)參考書(shū)及其文獻指導建立了管道的模型，并應用fluent軟件得出了速度、壓力等一些實(shí)驗數據，其結果與實(shí)際數據的擬合程度有待進(jìn)一步通過(guò)限制模型的假設條件來(lái)提高（因為我們在運用軟件時(shí)設置的參數與現實(shí)環(huán)境還是有不一樣的地方），這與運用數學(xué)對現實(shí)問(wèn)題進(jìn)行建模很有相似性，它們都有解決問(wèn)題前的假設條件。
課題背景
隨著(zhù)我國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷地興建大型火力發(fā)電廠(chǎng)，電廠(chǎng)的三廢排放問(wèn)題也越來(lái)越突出，就拿粉煤灰的排放來(lái)說(shuō)，一個(gè)總裝容量100萬(wàn)千瓦的電廠(chǎng)，每小時(shí)要排放120噸左右的粉煤灰，而年排放量達到85萬(wàn)噸。過(guò)去對粉煤灰的排放一般采用水沖灰排放方式，這不僅消耗大量的水資源、資金，而且增加環(huán)境污染，并且占用了大量的堆灰土地。隨著(zhù)電廠(chǎng)的不斷興建和大型化，這些問(wèn)題越來(lái)越突出。若氣力輸送成為電廠(chǎng)的主要輸灰系統，基本上不需要用水，就不會(huì )像水力除灰系統那樣對環(huán)境和水質(zhì)造成污染，并可保證灰在輸送過(guò)程中不會(huì )發(fā)生化學(xué)變化，保持灰的原有特性，有利于灰渣綜合利用。近幾年來(lái)過(guò)內外科技工作者對氣力輸送系統的研究有了很大的發(fā)展，并把它應用在各種傳送機器中，其中不乏有米廠(chǎng)、電廠(chǎng)從各種優(yōu)化方案中綜合考慮經(jīng)濟環(huán)境經(jīng)濟因素用到氣力輸送傳動(dòng)。因此氣力輸送技術(shù)課題的研究有著(zhù)廣泛的工程實(shí)際需要和重要的理論、實(shí)踐及經(jīng)濟意義，具有廣闊的發(fā)展前景。管夾閥,箍斷閥
*早使用空氣輸送固體或液體的嘗試始于19世紀初期。1810年，Medhttrst首先提出了郵件氣力輸送的方案。1824年，Vallance建立了*早的氣力輸送實(shí)驗裝置。1861年，Rammell建成了**條筒式氣力輸送系統。但氣力輸送用于成件貨物的輸送則開(kāi)始于19世紀60年代中期。1866年，氣力輸送技術(shù)正式用來(lái)輸送棉花和砂等散裝物料。*初，氣力輸送僅僅用于碼頭上的裝卸。限于當時(shí)的工藝技術(shù)水平，氣力輸送技術(shù)在很長(cháng)的一段時(shí)間內幾乎沒(méi)有多大發(fā)展。直到1891年，英國密爾沃爾公司的工程師F．E．Dockham對氣力輸送系統進(jìn)行了大量的改造，發(fā)明了可連續排出物料的負壓輸送裝置，氣力輸送技術(shù)才得到了極大的發(fā)展。這種負壓氣力輸送裝置特別受到糧食輸入國，如英國、荷蘭、德國等國家的重視，負壓氣力輸送也得N-f較大程度的普及。20世紀初氣力輸送裝置開(kāi)始用于車(chē)間內部的物料輸送。此后，正壓氣力輸送裝置的研究也取得了較大的發(fā)展，到30年代左右在車(chē)間內部已被廣泛使用。20世紀70年代，日本學(xué)者久保輝一郎、水渡英，對粉體的力學(xué)特性和運動(dòng)理淪進(jìn)行了研究。仁漳其貞用流體力學(xué)和固體摩擦理論的方法，建立管道顆粒流動(dòng)的運動(dòng)模型。研究流場(chǎng)中單顆?；蛴兄?zhù)相互作用的多穎粒運動(dòng)，以及考察含有穎粒的流場(chǎng)本身可用來(lái)推測流場(chǎng)中有關(guān)的流動(dòng)信息，如探討作用在顆粒上的合力和通過(guò)對流場(chǎng)平均得到的流變性質(zhì)等。
氣力輸送技術(shù)在我國起步較晚，20世紀50年代末才開(kāi)始有所研究，60年代以后，倉泵正壓氣力輸送技術(shù)開(kāi)始在國內得到應用，進(jìn)入80年代，許多電廠(chǎng)相繼引進(jìn)了各種類(lèi)型的除塵設備及相關(guān)技術(shù)。之后，氣力輸送相繼在水泥、冶金、**等行業(yè)得到了推廣和應用。1978年，中國科學(xué)院化工冶金研究的李洪鐘，就垂直氣力輸送壓強降計算方法進(jìn)行了深入地研究陰。1980年，華東化工學(xué)院的楊倫對脈沖氣刀式栓流密相氣力輸送進(jìn)行了研究。1990年上海海運學(xué)院的余達銀等對氣力輸送進(jìn)行的優(yōu)化設計，1992年，余洲生又對長(cháng)距離水平輸送進(jìn)行了有益的探討。1996年，清華大學(xué)的魏飛等就氣固并行系統中彌散顆?；旌闲袨檫M(jìn)行了系統的研究。1998年，陳利東等對濃相氣力輸送的流型及穩定性判定進(jìn)行了實(shí)驗研究，提出了一種檢測流型穩定性的方法。固體的氣力輸送代表了十九世紀工業(yè)的巨大革新之一經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀的發(fā)展，目前，各種裝置形式越來(lái)越多，己有制造成套氣力輸送裝置的工廠(chǎng)，僅在美國，據不完全統計，這類(lèi)工廠(chǎng)就有30多家。
氣力輸送系統分類(lèi)與特點(diǎn)
氣力輸送系統的分類(lèi)方法有很多，如按照料氣比分類(lèi)、按照料氣兩相流體力學(xué)特征分類(lèi)、按照料氣兩相運動(dòng)特征分類(lèi)、按照裝置特征分類(lèi)等。主要分類(lèi)有以下兩種:根據輸送裝置分類(lèi)，其依據來(lái)自輸送管道中空氣壓力狀態(tài):另一種是物料在管道中的流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)，其依據相圖、輸送管道中氣固流動(dòng)狀態(tài)、單位時(shí)間的輸送量及料氣比。
(1).按輸送裝置特征,氣力輸送可以分為負壓式、正壓式及混合式三種。
(a)負壓輸送
負壓輸送系統是以輸送系統末端的引風(fēng)裝置運轉時(shí)形成負壓與外界壓力差為動(dòng)力的。由于壓力差的存在，外界空氣被吸入管道，同時(shí)物料隨空氣的運動(dòng)而被帶入管道。到達終點(diǎn)后，物料從空氣中被分離出來(lái)并收集，空氣則經(jīng)凈化后排入大氣或循環(huán)使用。負壓輸送系統多用于集中式輸送，即多點(diǎn)向一點(diǎn)輸送，如車(chē)間除塵、糧食入倉等。負壓輸送的優(yōu)點(diǎn)在于能有效的收集物料，物料不會(huì )進(jìn)入大氣，這對于有毒物料的氣力輸送尤其重要，但由于真空度的影響，其輸送距離受到一定限制，一般系統壓力降的限度是O．044MPaf71。
(b)正壓輸送管夾閥,箍斷閥
正壓輸送是*早使用的氣力輸送系統，也是氣力輸送的*基本形式。正壓輸送是利用系統起點(diǎn)的風(fēng)機向輸送管道內通入壓縮空氣，利用管道起點(diǎn)與終點(diǎn)的壓力差，使空氣在管道內流動(dòng)，并帶動(dòng)物料運動(dòng)的。正壓輸送系統中，物料由供料裝置送入輸送系統，在輸送終點(diǎn)，物料與空氣分離。與負壓氣力輸送系統相比，正壓輸送系統的輸送距離較長(cháng)。正壓輸送系統適于分散輸送，即一點(diǎn)向多點(diǎn)輸送，在輸送管線(xiàn)中，物料可在任意卸料點(diǎn)依靠物料的重力與輸送介質(zhì)實(shí)現分離。
(c)混和輸送系統
混和輸送系統是在同一輸送系統中將正壓輸送系統和負壓輸送系統聯(lián)用的一種輸送系統?；旌洼斔拖到y結合了正壓和負壓輸送系統的特點(diǎn)，因而可用于復雜的輸送條件。
(2) 按照料氣比，氣力輸送系統又可以分為稀相氣力輸送、濃相動(dòng)壓氣力輸送、濃相靜壓氣力輸送和筒式氣力輸送。
(a)稀相氣力輸送
稀相氣力輸送的特點(diǎn)在于輸送系統內氣流速度高，物料呈懸浮狀態(tài)，空隙率大。物料的輸送主要依靠氣流速度的動(dòng)能。稀相氣力輸送采用的速度通常為12～40m／s，料氣質(zhì)量比一般為1～5，*大不超過(guò)15。
(b)濃相動(dòng)壓氣力輸送
濃相動(dòng)壓氣力輸送的氣流速度一般在8～15m／s之間。濃相動(dòng)壓輸送中物料在管內呈密集狀態(tài)分布，依靠空氣的動(dòng)能來(lái)輸送。這類(lèi)氣送裝置有：高壓壓送、高真空吸送和流態(tài)化輸送。濃相動(dòng)壓輸送的料氣比變化范圍很大，高壓壓送與高真空吸送的料氣比大致在15～50之間，流動(dòng)狀態(tài)呈脈動(dòng)集團流；而對于易充氣的粉料，料氣比高達200以上，呈流態(tài)化輸送。
(c)濃相靜壓氣力輸送
濃相靜壓氣力輸送中物料密集而栓塞管道，依靠氣流的靜壓來(lái)推送物料。濃相靜壓氣力輸送可分為柱流和栓流兩種：柱流氣力輸送：密集物料連續地充塞管道內而形成料柱，料柱運動(dòng)速度低，一般為0．2--一2m／s，柱流氣力輸送僅適用于短距離輸送。栓流氣力輸送：人為地把料柱預先切割成較短的料柱，輸送時(shí)，氣栓與料栓相間分開(kāi)。栓流氣力輸送適用于中距離輸送。
(d)筒式氣力輸送
筒式氣力輸送是預先將需要輸送的物料裝入傳輸筒或筒車(chē)內，利用空氣的靜壓使傳輸筒或筒車(chē)在管道內滑行的輸送方法，適用于既難于懸浮，而又無(wú)法成栓的成件貨物的輸送，如火車(chē)上單據、文件的輸送，郵局中信件的輸送等。
（1）優(yōu)點(diǎn)
由于氣力輸送的輸送介質(zhì)(一般為空氣)在多數情況下到終點(diǎn)后即排入大氣，沒(méi)有回程，因此與其它輸送技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(a)管道路線(xiàn)靈活，占地面積*小?？筛鶕臻g條件合理設計管道路線(xiàn)布局，不受場(chǎng)地和空間限制；
(b)不污染環(huán)境，也不受環(huán)境污染。由于被輸送物料全部通過(guò)管道輸送，與外界隔離，因此不會(huì )對外界環(huán)境造成污染，尤其是負壓輸送系統；物料不受環(huán)境的影響，特別是對于化學(xué)不穩定物料，可采用惰性氣體作為輸送介質(zhì)實(shí)現物料的氣力輸送；
(c)輸送效率和自動(dòng)化程度高。由于輸送系統中沒(méi)有機械傳動(dòng)環(huán)節，因此不需要專(zhuān)人操作；
(d)可輸送距離長(cháng)?？梢酝ㄟ^(guò)分級輸送或采用混和輸送的方法延長(cháng)管道輸送距離；
(e)輸送過(guò)程中可以通過(guò)定量分流來(lái)實(shí)現各工藝過(guò)程直接的銜接。
（2）缺點(diǎn)
(a)與其他散狀固體物料輸送設備相比，氣力輸送系統動(dòng)力消耗較大，特
別是稀相氣力輸送系統。
(b)使用受到限制。氣力輸送系統只能用于輸送干燥、無(wú)磨琢性、有時(shí)還需要能自由流動(dòng)的物料。如果成品不允許破碎，則脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相氣力輸送。除非是特殊設計，否則易吸潮、結塊的物料也不宜采用氣力輸送系統。易氧化的物料不宜用空氣輸送，但可以采用帶有氣體循環(huán)返回的惰性氣體來(lái)代替空氣；
(c)輸送距離受到限制。至目前為止，氣力輸送系統只能用于比較短的輸送距離，一般小于3000m，對較粘的物料則更短，例如炭黑，目前其輸送距離在2000m以?xún)龋?br>(d)物料特性如堆積密度、粒度、粒子強度、休止角、磨琢性等的微小變化，都能造成操作上的困難；
(e) 易磨損、易堵塞、高能耗。
管道中物料的流動(dòng)狀態(tài)實(shí)際上復雜多變，物料顆粒有時(shí)會(huì )從氣流中分離出來(lái)，或者沉降在管底形成料團；或者黏附于管壁上并逐漸增厚。一旦在某個(gè)局部管段堆積的料團發(fā)展到充塞于整個(gè)管道戴向．而又滯留不動(dòng)時(shí)，就會(huì )導致輸送過(guò)程完全停止。這種現象，我們稱(chēng)為“堵塞”。
在輸送過(guò)程中經(jīng)常會(huì )出現管道堵塞現象，這給濃相氣力輸送的應用帶來(lái)了諸多不便, 其原因主要有：系統參數設定的影響、氣源的影響、被輸送介質(zhì)的影響、管道泄漏的影響、其它方面影響（如管道設計不合理等）。
為了防止堵管，要充分考慮各種因素對輸送性能的影響，保證輸送系統的*佳工作參數；輸送氣體做到清潔、干燥；定時(shí)清理輸送裝置和管道，定期進(jìn)行管道的修理，防止發(fā)生滲漏等。一旦發(fā)現堵管現象可立即采用“反抽”的方法進(jìn)行排堵。
磨損是指材料在使用過(guò)程中，由于表面受固體、液體或氣體的機械作用而引起材料的脫離或轉移而造成的損耗，但對于磨損的具體定義，目前還沒(méi)有定論，不同機構對磨損的定義不?。?br>（1）英國機械工程師協(xié)會(huì )把磨損定義為“由于機械作用而造成的物體表面材料的逐漸損耗。
（2）前蘇聯(lián)克拉蓋爾斯基認為磨損是“由于摩擦結合力的反復擾動(dòng)而造成的材料破壞。
（3）美國材料試驗學(xué)會(huì )(ASTM)標準關(guān)于磨損的定義是“由于物體表面且相接觸的物質(zhì)問(wèn)的相對運動(dòng)造成的物體表面的損傷，還常有材料的逐漸損失。
（4）1979年修訂的Din50320將磨損定義為“磨損是一個(gè)物體由于機械的原因，即與另一個(gè)固體的、液體的或氣體的配對件發(fā)生接觸和相對運動(dòng)，而造成的表面材料不斷損失的過(guò)程。
磨損是一個(gè)極為復雜的過(guò)程，其研究工作相對于摩擦要晚，20世紀50年代初期才開(kāi)始在工業(yè)發(fā)達國家有“黏著(zhù)磨損”理論的研究。20世紀60年代以后，由于分析測試手段(如電子顯微鏡、光譜儀、能譜儀、俄歇譜儀、電子衍射儀等)的迅猛發(fā)展和放射性同位素示蹤技術(shù)、鐵譜技術(shù)的大量應用，磨損研究在磨損力學(xué)、機理、失效分析等方面有了迅速發(fā)展。磨損的分類(lèi)根據不同標準可有不同的分類(lèi)方法，如按機制、按表面接觸性質(zhì)、按環(huán)境和介質(zhì)劃分等。從磨損的機制來(lái)分，磨損可分為黏著(zhù)磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕磨損。
（1）黏著(zhù)磨損。黏著(zhù)磨損是在法向加載下，兩個(gè)相對滑動(dòng)的表面在摩擦力的作用下，表面發(fā)生破裂，分子力的作用使兩個(gè)表面發(fā)生焊合，強度較高的材料表面黏附對摩件的金屬。黏著(zhù)磨損一般可分為磨合階段、穩定磨損階段和加速磨損階段。
（2）磨料磨損。磨料磨損是由于硬顆?；蛲黄鹞镌谂c摩擦副表面的相互接觸過(guò)程中，使材料產(chǎn)生遷移的現象。磨料磨損一般由多種磨損機理引起，而且隨著(zhù)磨損條件的變化，會(huì )從一種磨損機理轉變?yōu)榱硪环N磨損機理。
（3）腐蝕磨損。腐蝕磨損是一種考慮環(huán)境介質(zhì)因素的磨損過(guò)程，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復雜磨損過(guò)程。
（4）疲勞磨損。疲勞磨損主要發(fā)生在承受周期性的接觸載荷或交變應力的零件表面上。疲勞磨損是兩個(gè)接觸體相對滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區形成的循環(huán)應力超過(guò)材料的疲勞強度時(shí)，在表面層引發(fā)裂紋，并逐步擴展，*后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的過(guò)程。
（5）微動(dòng)磨損。由于機械振動(dòng)引起的緊密配合的零件接觸表面間產(chǎn)生的小幅的相對振動(dòng)而產(chǎn)生的微動(dòng)磨損。
（6）沖蝕磨損。沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)，表面出現破壞的一類(lèi)磨損現象。這類(lèi)磨損通常是由于流體或固體顆粒以一定速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的。沖蝕磨損所研究的松散顆粒一般小于1000p,m，沖擊速度在550m／s以?xún)?。磨損是一種普遍存在的現象，凡兩個(gè)物體相互接觸并有相對運動(dòng)的表面都會(huì )發(fā)生磨損，磨損造成的危害和損失是十分驚人的。統計數據顯示：美國每年因磨損造成的經(jīng)濟損失占其國民生產(chǎn)總值的4％；我國每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失在1000億人民幣以上?，F今世界能源消耗的l／3～1／2是因為摩擦和磨損造成的。從材料消耗的角度來(lái)說(shuō)，約80％的機械設備失效是由磨損引起的。管夾閥,箍斷閥
我國有關(guān)部門(mén)的統計結果表明，僅在冶金礦山、建材、電力、煤炭和農機等5個(gè)行業(yè)中，因設備構件與沙土、礦石、水泥、煤炭等物料接觸導致的磨損所消耗的金屬材料達300萬(wàn)t以上，磨損占生產(chǎn)成本相當大的比例，如礦山在碎礦、磨礦過(guò)程中所消耗的耐磨材料占其選礦成本的一半。張嗣偉教授在2004年我國工程院與國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合召開(kāi)的“摩擦學(xué)科與工程前沿研討會(huì )”上指出，中國每年由于摩擦、磨損損失584．7億元，而2003年國內工礦企業(yè)在此方面的節約潛能約400億元。氣力輸送系統中管道的磨損是一種典型的沖蝕磨損，管線(xiàn)中的構件，特別是異型構件(如彎頭、三通、變徑管等)的沖蝕磨損是引起系統失效的主要原因之一，彎頭的磨損可高于直管的50倍。沖蝕磨損己經(jīng)成為許多零件和設備材料破壞的原因之一，如空氣中的塵埃和砂粒如果浸入直升機發(fā)動(dòng)機內，可降低其壽命的90％；火力發(fā)電廠(chǎng)粉煤灰鍋爐燃燒的尾氣對換熱器管路的沖蝕而造成破壞大致占管路破壞的1／3，其*小壽命只有16000h；煉鐵高爐返礦氣力輸送管道壽命有時(shí)僅有3個(gè)月；風(fēng)機因沖蝕磨損而導致的停機停產(chǎn)在冶金行業(yè)中占風(fēng)機故障的一半以上。
根據介質(zhì)不同沖蝕磨損可分為兩大類(lèi)：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動(dòng)介質(zhì)中攜帶的**相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅(氣泡)，從而對材料表面施加機械力。如果按流動(dòng)介質(zhì)及**相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類(lèi)型。表1．2是沖蝕磨損分類(lèi)及實(shí)例。表1-2沖蝕磨損分類(lèi)及實(shí)例關(guān)于沖蝕磨損的研究，*早可以追溯到19世紀初。早在1807年，Young就曾著(zhù)文討論了噴砂問(wèn)題。*早在沖蝕磨損理論方面取得成果的是Finnietl 71，他在1958年提出了**個(gè)沖蝕理論—微觀(guān)切削理論，并提出了體積沖蝕率與入射角、粒子速度、靶材流出應力的關(guān)系式。此后，研究者相繼提出了多種沖蝕磨損理論和模型對材料的沖蝕行為進(jìn)行解釋。但到目前為止，還沒(méi)有一種理論或模型能夠**的解釋不同材料的沖蝕問(wèn)題。在現有的沖蝕理論中，較為研究者廣泛認同的有塑性材料的微觀(guān)切削理論、變形磨損理論、沖蝕脫層理論、鍛造擠壓理論、脆性材料的彈塑性壓痕破裂理論以及二次沖蝕理論。其中介紹單點(diǎn)沖蝕的切削模型如下：Hutchingsll91用高速攝影法觀(guān)察單個(gè)球形粒子及立方粒子以30。攻角沖擊金屬表面的情況，根據實(shí)驗結果提出犁削和兩種切削模型，見(jiàn)圖2-1。
圖2-1幾種典型沖蝕坑側切面示意圖
Hutchings只做了低攻角下的單顆粒實(shí)驗，其它的一些實(shí)驗觀(guān)察表明，多角粒子也不易出現上述典型情況。Budinski將單點(diǎn)沖蝕劃分為四類(lèi)，如圖2-2;a)點(diǎn)坑型沖蝕，類(lèi)似于硬度壓頭的對稱(chēng)性菱錐體粒子正面沖擊造成的；
b)犁削，類(lèi)似于犁對土地造成的溝，凹坑的長(cháng)度大于寬度，材料被擠到溝；
c)鏟削，在凹坑末端堆積材料而鏟痕兩側幾乎不出現變形；
d)切片，凹坑淺，由粒子斜掠而造成的痕跡。
圖2-2沖蝕破壞的四種基本類(lèi)型
a)點(diǎn)坑 b)犁削 c)鏟削 d)切片
影響氣力輸送管道沖蝕磨損的因素主要從粒子性質(zhì)與輸送參數兩個(gè)方面考慮，如下的幾點(diǎn)就是這兩方面的各個(gè)體現。
（1）粒子粒度
粒子粒度對彎頭沖蝕磨損的影響與常規沖蝕磨損影響規律類(lèi)似，即對于不同氣力輸送條件下的沖蝕磨損，粒徑都存在極限值。當粒子粒徑大于極限值時(shí)，磨損量趨于穩劇。研究表明沖蝕磨損率隨粒子粒度增大而迅速增大。
（2）粒子強度
粒子強度主要是影響粒子在輸送過(guò)程中的破碎難度與破碎率，以及由此引起的二次磨損。在氣力輸送特別是稀相氣力輸送條件下，被輸送物料的平均粒徑隨經(jīng)過(guò)彎頭數量的增加而呈減小的趨勢。這種粒徑減小的趨勢越明顯，相應材料對彎頭造成的沖蝕磨損率越高，也就是說(shuō)，粒子在輸送過(guò)程中越容易破碎，則其產(chǎn)生的沖蝕磨損率越高，
（3）粒子形狀
粒子形狀對沖蝕磨損的影響主要體現為其對磨損機理的影響。粒子沖擊靶材時(shí)，粒子與靶材的接觸面積決定了兩者之間作用強度。尖角形粒子對塑性材料表面的沖蝕多為切削型磨損，球形粒子沖蝕所產(chǎn)生的磨損主要表現為塑性變形磨損。
（4）輸送速度
介質(zhì)速度是影響沖蝕磨損率的*大因素，這也是本文討論的核心之一。管夾閥,箍斷閥
（5）物料濃度
隨著(zhù)粒子濃度的增大，彎頭的總質(zhì)量損失降低，即單位質(zhì)量粒子造成的沖
蝕磨損量降低，由于懸浮濃度的增大，粒子間撞擊的幾率也增大，撞擊管壁的粒子動(dòng)能降低。
（6）沖擊角
沖擊角是指入射粒子軌跡與靶材表面之間的夾角。沖擊角的不同主要影響了粒子沖擊靶材時(shí)動(dòng)能的切向和法向分量，以及在沖擊過(guò)程中的能量消耗。對于沖擊粒子來(lái)說(shuō)，動(dòng)能切向分量是產(chǎn)生切削，而法向分量則是影響粒子壓入靶材表面的深度，兩者共同決定著(zhù)磨損量。
為了減少磨損對生產(chǎn)造成的影響，工業(yè)上采取了多種措施來(lái)降低氣力輸送管道的磨損，延長(cháng)管道的使用壽命， 對于管道外形的優(yōu)化設計和材料優(yōu)選都是比較好的減磨方法。本課題主要從管道外形的優(yōu)化設計方面來(lái)考慮以期達到減磨的目的。由于影響氣力輸送管道磨損的因素很多，本文著(zhù)重在壓力損失與氣體、顆粒的出口速度方面通過(guò)管道變徑的優(yōu)勢來(lái)研究磨損問(wèn)題。實(shí)驗表明管道的變徑后的管道可以減少壓損與氣體、顆粒的出口速度。**章主要建立了壓力損失的模型。
料氣輸送比,通常指他們的重量或者質(zhì)量流量比,即流過(guò)管道截面的物料與空氣的流量比,簡(jiǎn)稱(chēng)混合比,可表示如下：
式中 為空氣流量( )
為物料流量或輸送量( )
物料在垂直管道中處于懸浮狀態(tài),是氣力輸送的特點(diǎn).其機理可做如下闡釋?zhuān)喝绻麣饬鞯纳仙俣?nbsp;等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度 時(shí),物料就會(huì )懸浮在氣流中,這樣便具備了氣力輸送的基本條件。此時(shí)氣流速度稱(chēng)為該物料的懸浮速度 。
空氣流量由輸送量(物料)與混合比的關(guān)系算出以后,一旦選定管內氣流速度,便可以計算輸送管徑,因而氣流速度是氣力輸送中的一個(gè)重要參量。但是由于物料占據了管道一定的截面,而管道的截面積為,則空氣通過(guò)凈面積的真實(shí)速度要比氣流速度要高。氣流的真實(shí)速度總是大于氣流的視在速度。當管道某一截面上物料增多時(shí),物料占據的面積增加,從而使氣速增加,物料便自動(dòng)加速。
在氣力輸送系統中摩擦系數包括空氣流動(dòng)摩擦系數 與物料流動(dòng)摩擦系數 。管道內的壓力損失計算是氣力輸送計算的關(guān)鍵，它是確定輸送壓力、空氣量、管道直徑等輸送系統參量的必需手段，是氣力輸送計算方法的核心。在計算管道沿程壓力損失中，通常要算及氣流的壓力損失與物料流動(dòng)的壓力損失，這兩者壓力損失之和是整個(gè)沿程壓力損失的主要部分。理論與實(shí)驗都證明，物料流動(dòng)的壓力損失占整個(gè)氣力輸送壓力損失的大部分，所以對于物料流動(dòng)的摩擦系數選取尤其重要。
如圖3-1所示,假設物料的運動(dòng)速度為 ,在 時(shí)間內移動(dòng) 距離,則 = / ,若單位時(shí)間內的輸送物料的流量為 ,則 時(shí)間內輸送距離便可寫(xiě)成:
圖3-1管道內物料運動(dòng)示意圖
在 物料中，有著(zhù)三個(gè)作用力，三個(gè)作用力的總和決定物料的運動(dòng)方程，下面逐一敘述：
（1）物料顆粒與管壁間的摩擦和顆粒相互間碰撞的阻力；物料在管道中運行時(shí)，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動(dòng)快的顆粒相撞，又發(fā)生運動(dòng)量的交換，較快的顆粒減慢，而較慢的顆粒卻加快。這種過(guò)程類(lèi)似空氣在管道中做紊流運動(dòng)時(shí)的情形。
對于氣流做湍流流動(dòng)時(shí)，所引起的管壁的摩擦力計算公式由參考書(shū)可查到：
其中： 為空氣對管壁的摩擦剪應力：
為微小單元管長(cháng)
為管道直徑
物料對管壁摩擦時(shí)，由于物料顆粒在輸送管中的運動(dòng)極為復雜，因此要確切地表示顆粒所受的管壁作用力是相當困難的。但是可以近似地把物料顆粒在管道截面均勻分布的情形仿照氣體湍流時(shí)的情形來(lái)表示。去輸送段的微小單元長(cháng)，在這單元體積內具有的物料量，則物料與管壁的摩擦阻力為：
（2—1）
其中： 為管壁對物料的摩擦剪應力
對比并近似對照氣體在管道流動(dòng)摩擦壓損理論
代入可得：
（2）氣流對顆粒的粘性阻力
（2—2）
式中K為系數
當Ret<1時(shí),K=1管夾閥,箍斷閥
當Ret=1~500時(shí),K=0.5
當Ret>500時(shí),K=0(其中Ret為顆粒雷諾數)
（3）由重力引起的阻力
重力所引起的阻力不僅要使物料懸浮在管道中，而且還要提升物料。物料提升 所需的空氣推力為
（2—3）
式中 為重力引起的壓損
根據重力理論，欲使顆粒懸浮和提升所需的能量，應等于空氣消耗的能量，若物料以速度通過(guò)管長(cháng)所需的時(shí)間為 ，物料的懸浮速度為 ，則單位時(shí)間懸浮物料所需能量為 ，另外，單位時(shí)間物料提升高度所需能量為 ，則有：
（2—4）
式中 為空氣體積流量
把（2—4）代入到（2—3）得：
（2—5）
（4）物料運動(dòng)方程
物料量的運動(dòng)方程為
（2—6）
把（2—1）、（2—2）、（2—3）代入（2—6）得
（2—7）
（1）壓力損失的概念
在氣力輸送過(guò)程中，物料輸送所需要的能量是通過(guò)空氣壓力的降低來(lái)給予的，這個(gè)空氣壓力的降低通常稱(chēng)之為壓力損失，也即從管道的進(jìn)口（inlet）到出口（outlet）的壓力的降低。有關(guān)物料輸送的壓力損失的計算方式大致可以分為均布理論，重力理論和能量理論。
(a)均布理論
均布理論的假定：物料顆粒在水平管道截面上是均勻分布的，物料運動(dòng)速度與空氣運動(dòng)的速度是相同的，從而物料的運動(dòng)阻力與純空氣運動(dòng)的阻力相似，只考慮物料運動(dòng)的摩擦壓損。
(b)重力理論
重力理論認為：物料運動(dòng)壓損不僅考慮摩擦阻力，而且還應考慮物料重力壓損。因此，重力理論假定：鉛垂直管道中物料運動(dòng)的速度低于空氣運動(dòng)速度，其差值等于顆粒的懸浮速度.
因此，要使顆粒懸浮所需的能量，應等于空氣所消耗的能量。重力理論還認為：在水平管道中懸浮物料所需的能量近似地等于鉛垂直管道中懸浮物料所需的能量。
(c)能量理論
能量理論認為，氣固兩相流運動(dòng)中，物料顆粒的水平管道截面中大多數情況下并不是均勻分布的，物料的速度低于空氣運動(dòng)的速度。它依靠空氣和物料運動(dòng)的速度差產(chǎn)生的作用力傳遞能量，使物料顆粒保持懸浮，并克服顆粒與管壁、以及顆粒彼此之間的沖擊和摩擦阻力。
（2）壓力損失的計算
根據能量理論，氣力輸送的壓力損失包括加速損失，重力引起的壓力損失。
(a)加速損失
設物料的加速損失為 ，則在管道截面 上作用在物料上的加速力為 ，在這個(gè)加速力的作用下，物料速度從 加速到 1，根據動(dòng)量定律可寫(xiě)為：
由上式變形得：
所以：
設純空氣的加速度壓損為 ,同理可根據動(dòng)量定律得：
所以：
根據以上的推導,得到加速引起壓力損失的表達式：
(b)摩擦損失
物料在管道中運動(dòng)時(shí)，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動(dòng)比較快的顆粒相互撞擊，又發(fā)生運動(dòng)量的交換，比較快的顆粒減慢；而比較慢的顆粒卻加快。上節提出單位質(zhì)量顆粒在運動(dòng)中所受到的顆粒與管壁的摩擦以及顆粒相互間碰撞的阻力為
那么此阻力引起的空氣壓損
將代入得
(c)重力引起的壓力損失
根據重力理論,要使顆粒懸浮和提升所需的能量,應等于空氣所消耗的能量.由以上知重力所引起的阻力 如下所示：
則克服重力 所引起的壓力損失 為對于閥類(lèi)關(guān)鍵部位的設計我借助了變徑管道的相關(guān)研究理論,一般在設計氣力輸送管道時(shí)由于輸送過(guò)程中空氣能量不斷損耗，壓力沿輸送長(cháng)度逐漸降低，這樣，氣體密度下降，空氣產(chǎn)生膨脹，氣流速度加快。相應導致系統壓力損失增加，管道磨損加劇，物料破碎嚴重。因此，為解決這些問(wèn)題，可以把輸送管道設計成變徑管道，使每一管徑區段內，在保證可靠輸送的情況下，氣流速度穩定在一定的范圍內。
設計變徑管道系統時(shí)，應遵循的變徑原則是：壓力盡量低，變徑管道的任一處的空氣速度不能低于系統可靠輸送的*小速度，既滿(mǎn)足如下約條件：
據資料表明，Wypych以煤粉為例對變徑管進(jìn)行實(shí)驗研究，輸送量24t／h，輸送距離1800 m時(shí)，可以采用Fmb=6，足以滿(mǎn)足輸送極限。數據如表1所示。
由試驗數據可知，在相同的入口流速下，當輸送管后段直變大后，流速隨之下降。比較表中3組數據，單一管徑(127mm)輸送時(shí)，壓降595kPa，出口流速達到46．1m／s；采用**變徑管(在683m處變徑為管徑154mm)輸送時(shí)，壓降為458kPa，壓損減少137kPa；而采取第3組數據輸送時(shí)，料氣比*大，出口氣速、壓損和耗氣量都*小?？梢?jiàn)采用二級變徑(第3組數據)*有利于輸送。
很明顯通過(guò)變徑處理后，該氣力輸送管道的壓損、出口氣速、耗氣量的減小，所以接下來(lái)本文將上敘的理論應用到關(guān)鍵部位改進(jìn)當中。
有一小型出糠機局部管道的進(jìn)口（inlet）速度要求為10 ，其改進(jìn)前的尺寸如下圖4-1所示：
圖4-1
建模
Gambit是一個(gè)集建模、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件為一體的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，它廣泛地應用在CFD及其它科學(xué)工程領(lǐng)域，具有友好的GUI界面和可操作性，逐漸成為了****的專(zhuān)用前處理軟件。將Gambit生成的網(wǎng)格信息導入Fluent中，便可進(jìn)行后續的計算及分析。Gambit的操作步驟分為3步：構造幾何模型、劃分網(wǎng)格、指定邊界類(lèi)型和區域類(lèi)型。完成3個(gè)步驟后，將帶有邊界信息的網(wǎng)格模型存盤(pán)（文件擴展名為*.dbs）或輸出為專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)格文件（*.msh），供CFD求解器讀取。下面將詳細介紹。
對于Gambit的構建幾何圖形有好多方法，如將其他如CAD、PRO/E、UG等軟件構造好的圖形導入到Gambit中，還有就是Gambit自帶的三維、二維設計工具，但復雜圖形還是用其他軟件做好再導入比較方便，Gambit主要功能還是在劃分網(wǎng)格上。本文都是先用CAD軟件先建好二維模型，然后到Gambit中建成三維再劃分網(wǎng)格或者直接將CAD軟件建好的二維圖形導入Gambit劃分網(wǎng)格。
（1）打開(kāi)Gambit, 新建一個(gè)名為“liqiang”的新文件。如下圖4-2所示：
管夾閥,箍斷閥
圖4-2
（2）在CAD創(chuàng )建圖4.1所示的左示圖，由于Gambit中的圖形在劃分網(wǎng)格必須是面或者是體（道理很簡(jiǎn)單，因為我們制造的管道在FLUENT中模擬時(shí)是作為管道內流體所組成的輪廓），所以在CAD中按住Region(面域)命令框選中圖形從而創(chuàng )建出一個(gè)域，然后再框選出已經(jīng)做好的域輸出在所要存放的硬盤(pán)中去,其中要輸出的圖形保存時(shí)必須為“sat“為后綴的類(lèi)型。完成好上面的步驟后再從Gambit中導入（import）后得到如下圖4-3所示：
圖4-3
（3）在Operation中依次選擇Geometry>Sweep Face,在Sweep Face中的path中選擇vector點(diǎn)擊Magnitude并且在其中輸入300如圖4-4。然后在Sweep Face中的Faces中選擇Face1,完成以后再按Apply將得到圖4-5：
圖4-4
圖4-5
正確地劃分網(wǎng)格是非常重要的，只有這樣，才能在Fluent中正確地分析流場(chǎng)，得到比較正確的結果。
(1) 劃分體網(wǎng)格。
依次點(diǎn)擊圖4-6中的按鈕，彈出“Mesh Volumes”對話(huà)框，選擇視窗中的管道，在“Interval size”里填40（不需要很小的網(wǎng)格，只要能比較正確地模擬就可以了，太小的網(wǎng)格計算量太大），其它選項接受默認，如圖4-7所示。劃分后的網(wǎng)格見(jiàn)圖4-8：
圖4-6 圖4-7
圖4-8
劃分了網(wǎng)格后，需要進(jìn)行邊界條件的定義。正確地描述問(wèn)題，就需要正確地定義邊界條件（這里的邊界條件可在Fluent中修改）。
(1) 定義入口為速度入口（VELOCITY_INLET）。
選擇Operation——Zones，彈出“Specify Boundary Types”對話(huà)框。在“Entity”中選擇“Faces”，然后選擇在“Name”中填入入口的名字“inlet”，在“Type”中選擇“VELOCITY_INLET”，點(diǎn)擊“Apply”確認，就完成了速度入口的定義。
(2) 定義出口為流動(dòng)出口（OUTFLOW）。
依照上面的方法將另一底面定義為OUTFLOW，命名為“outflow”。
(3) 定義壁面為壁面（WALL）。
只要定義好進(jìn)口出口，其他面默認為壁面，所以不用設置。結果如圖4-9所示。
依次點(diǎn)擊“File”-“Export”-“Mesh”，將網(wǎng)格文件導出為“liqiang.msh”。
進(jìn)行了以上的步驟后，就可導入Fluent中進(jìn)行計算和分析了
圖4-9
FLUENT是目前處于****地位的CFD軟件之一，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動(dòng)，廣泛用于模擬各種流體流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運移等問(wèn)題。
從本質(zhì)上講，FLUENT只是一個(gè)求解器。FLUENT本身提供的主要功能包括導入網(wǎng)格模型、提供計算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、求解和后處理。所以本文采用FLUENT作為計算手段。下面將詳細介紹具體的步驟。
為了保證在FLUENT中計算的正確性，確保網(wǎng)格的正確是必要的。特別要注意控制臺窗口中的*小體積分數，為正才是正確的；如果為負，對應的網(wǎng)格就不能用于計算，需要再次修改網(wǎng)格。
讀入網(wǎng)格，點(diǎn)擊“Grid”-“Check”，控制臺窗口中的信息如圖4-10所示?？梢钥闯?，“minimum volume”的值為正，所以網(wǎng)格是合格的。
圖4-10
點(diǎn)擊“Grid”-“Scale”，在彈出的“Scale Grid”對話(huà)框的“Grid Was Created In”里選擇“mm”，單擊“Scale”完成。如圖4-11所示。
圖4-11
檢查網(wǎng)格以后，就要定義模型的類(lèi)別和各種邊界條件，使計算收斂；如果計算不收斂，就需要不斷地修改、計算，直到收斂為止。
依次單擊“Define”-“Models”-“Solver”，彈出Solver對話(huà)框。
Fluent中提供了三種不同的求解方法：分離隱式解（Pressure Based，Implicit）、耦合隱式解（Density Based，Implicit）和耦合顯式解（Density Based，Explicit）。分離隱式解主要用于不可壓縮或壓縮性不強的流體流動(dòng)。耦合求解方法用在高速可壓縮流動(dòng)。本課題采用的氣體入口速度為15m/s，這個(gè)速度算低速，在低速下的氣體可以看作是不可壓縮的，所以這里選擇分離隱式解。其它的參數如下圖4-12所示。
圖4-12
在Fluent中，共有三種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文采用歐拉模型來(lái)模擬低速濃相懸浮輸送氣固兩相流，將顆粒相視為擬流體來(lái)建立模型。點(diǎn)擊“Define”-“Models”- “Multiphase”，彈出“Multiphase Model”對話(huà)框，設置如圖4-13所示。
圖4-13
因為要進(jìn)行能量方程的計算，所以需要在“Define”-“Models”- “Energy”中選中能量方程復選框，如圖4-14所示。
圖4-14
本文選擇修正的k-epsilon兩方程模型進(jìn)行模擬，壁面處選擇標準壁面函數進(jìn)行模型修正。k-epsilon多相流模型選擇“Per Phase”，即紊流傳遞起重要作用時(shí)，為每一相求解一套k-epsilon方程。其它參數保持默認，如圖4-15。
圖4-15
這里只需定義顆粒材料，對于空氣，系統已經(jīng)給出。點(diǎn)擊“Define”-“Materials”，在“Name”框中輸入“Solid”，在“Properties”里的“Density”選項里填入顆粒密度：1200(kg/m3)，點(diǎn)擊“Change/Create”，再彈出的對話(huà)框里選擇“No”，即不覆蓋空氣材料。完成后如圖4-16所示。
圖4-16
點(diǎn)擊“Define”-“Phase”，點(diǎn)擊“Phase-2”-“secondary-phase”-“Set…”，在彈出的對話(huà)框中將“Phase Material”設為“Solid”，即**相為顆粒相。選中“Granular”，輸入顆粒直徑0.0001m，顆粒粘度選擇“syamlal-obrien”（按 計算），顆粒體積粘度選擇“lun-et-al”（按 計算），其它保持默認值。完成后如圖4-17所示。
圖4-17
由于要考慮顆粒受到的重力作用，所以要加上重力加速度。點(diǎn)擊“Define”-“Operating Conditions”，在彈出的對話(huà)框中勾選“Gravity”項，在“Y”方向上填入重力加速度值9.8（也可以設置為-9.8，因為這兩個(gè)方向的改變相當于相對的參考系發(fā)生變化，理論上不會(huì )影響計算）。如圖4-18所示：
圖4-18
點(diǎn)擊“Define”-“Boundary Conditions…”，彈出“Boundary Conditions”對話(huà)框，“Zone”中為定義的各個(gè)邊界，“Type”中為要指定的邊界條件的類(lèi)型，在“Phase”選項框中可以為每一項指定不同的邊界條件。
(1) 定義“fluid”為“fluid”。
(2) 定義“inlet”為“velocity-inlet”。定義氣相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase1”，在“Momentum”中，將進(jìn)口速度設為15m/s。
圖4-19
(3) 定義顆粒相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase2”，在“Momentum”中，將進(jìn)口速度設為14m/s（固相速度小于氣相）在“Granular Temperature”（顆粒溫度）中填入0.0002，如圖4-20所示。
圖4-20
(4) 定義“outlet”為“outflow”。
(5) 定義“wall”為“wall”。在“Roughness Height”中填入壁面粗糙度高度為0.0002m，“Roughness Constant”（壁面粗糙度系數）為0.5。如圖4-21所示。
圖4-21
定義完模型后，便可進(jìn)入求解階段。點(diǎn)擊“Solve”-“Controls”-“Solution…”，打開(kāi)“Solution Controls”（控制方案）對話(huà)框。在控制條件中，選擇“Pressure-Velocity Coupling”（壓力—速度耦合）下的“Phase Coupled SIMPLE”方法。在“Under-Relaxation Factors”（低松弛因子）下，將“Volume Fraction”（體積分數）和“Granular Temperature”（顆粒溫度）設為0.3，其余保持默認。在“Discretization”（離散化）中，選擇“Volume Fraction”的離散化方法為“QUICK”，其余都選擇“Second Order Upwind（二階迎風(fēng)）”（這是為了增加計算的精度）。如圖4-22所示。
圖4-22
在迭代開(kāi)始前，需要設置初始條件。這是為了給各個(gè)方程的變量提供初始值，以便進(jìn)行迭代計算。初始值設置的好壞對于模型能否收斂有很大的影響。
點(diǎn)擊“Solve”-“Initialize”-“Initialize…”，打開(kāi)初始值設置對話(huà)框。從“Compute From”下選擇進(jìn)口（inlet）的各變量值作為初始條件，如圖4-23所示。
圖4-23
為了判斷所求問(wèn)題的收斂性，需要監視殘差。當迭代過(guò)程中的殘差值低于所設置的某個(gè)值時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)收斂，此時(shí)可以停止迭代；如果殘差值不能低于所設置的值時(shí)，說(shuō)明模型的條件設置有錯，需要重新定義。
點(diǎn)擊“Solve”-“Monitors”-“Residual…”，在彈出的對話(huà)框中勾選“Plot”（即在圖形窗口中繪制殘差圖），計算結果要達到的殘差值保持默認，即當殘差為0.001時(shí)，計算收斂。其它值保持默認，如圖4-24所示。
圖4-24
點(diǎn)擊“Solve”-“Iterate…”，輸入迭代數1000（如收斂，便可停止迭代），其它保持默認，如圖4-25所示：
圖4-25
點(diǎn)擊“Iterate”開(kāi)始迭代，迭代81步后殘差收斂，此時(shí)點(diǎn)擊“Cancel”停止迭代，如圖4-26，圖4-27所示：
圖4-26
圖4-27管夾閥,箍斷閥
迭代完成后，點(diǎn)擊“File”-“Write”-“Case&Date…”保存文件。然后便可進(jìn)行一系列的后處理，以便進(jìn)一步分析所得結果，了解模型各參數的變化情況，并參考相關(guān)文獻，判斷模型的正確性。
結果簡(jiǎn)要分析與改進(jìn)
上面FLUENT里面的設置的參數其實(shí)就是構造模型在以后仿真時(shí)的環(huán)境參數。接下來(lái)本文主要從壓損和速度方面來(lái)分析上敘的管道模型。壓損和速度兩方面是*能體現管道即將磨損的程度，當壓力損失增加時(shí)，由第三章或者有能量守恒知道，管道傳送顆粒的所要克服的阻力所做的功也隨之增加（即轉化為阻力能），這樣也就增加了顆粒與管道的磨損。當速度過(guò)大時(shí)，顆粒對管道在變截面時(shí)的沖擊力也隨之增加，從而增大了對管道制造材料的要求，在同種材料管道進(jìn)行比較時(shí)，速度過(guò)大的管道磨損相對要嚴重的多。通過(guò)后處理，可以顯示出各種不同因素的變化曲線(xiàn)圖或云圖，來(lái)獲得相應的信息。常規模型的有關(guān)速度與壓力的計算結果如圖所示：
圖4-28速度矢量分布圖
圖4-29壓力分布圖
通過(guò)對圖中現象分析可知：
（1） 從速度分布圖上可以看出，顆粒流過(guò)管道時(shí)，出口速度有明顯增加現象。
（2） 從壓力分布圖上可以看出，顆粒流過(guò)管道時(shí)，壓力損失比較大。
改進(jìn)后的模型：
圖4-30
圖4-31速度分布圖
圖4-32壓力分布圖
改進(jìn)后的模型出口速度明顯減小，壓力損失也在減小。
`
改進(jìn)
5.1原閥件的引入
一種由70％左右的煤粉，30％左右的水和添加劑混合制備而成的液體，可以象油一樣泵送、霧化、儲運，并可直接用于各種鍋爐、窯爐的燃燒。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保節能優(yōu)勢，對于在現實(shí)中出現的水煤漿閥關(guān)鍵部位構造三維圖形如下圖5-1，下面簡(jiǎn)要對水煤漿閥的關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
圖5-1
5.2通過(guò)GAMBIT建模并劃分網(wǎng)格
由于上敘模型為軸對稱(chēng)圖形，接下來(lái)利用二維模型來(lái)建模和劃分網(wǎng)格如圖5-2所示
圖5-2
5.3結算結果及其分析
在FLUENT里面的設置與前所敘出糠機局部管道的設置相同，有關(guān)速度壓力方面的計算結果如下5-2，5-3，5-4，5-5：
圖5-3
圖5-4
圖5-5
改進(jìn)后模型與結果如圖5-6，5-7，5-8，5-9：
圖5-6
圖5-7
圖5-8
圖5-9
表5-1改進(jìn)前與改進(jìn)后參數數值結果比較表
模型 出口平均流速(m/s) 壓力損失
（pa）
改進(jìn)前 49.56711 8.386E5
改進(jìn)后 35.63549 7.286E5
從表5-1的數值結果比較可知，在同樣進(jìn)口的大小與速度的條件下，改進(jìn)后模型和改進(jìn)前模型的壓力損失相對變化不大，出口平均速度值有明顯減小。在所研究的上敘模型中，基本上是局部壓力損失，主要是因為管徑的變化而引起了流速的突然變化，在局部地區形成的死水區或旋渦，使得流體在此區域內并不參與主流流動(dòng)，只是不斷的打旋，流體顆?；ハ嗯鲎捕a(chǎn)生能量損失，經(jīng)過(guò)模型改進(jìn)后管道內*小負壓值明顯降低了，進(jìn)而磨損也就降低了。
20世紀90年代以來(lái)，大量的科技工作人員不斷地對氣力輸送系統進(jìn)深入的研究，取得了一系列的成果，特別是在提高氣力輸送效率的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：壓降，磨損等方面，成績(jì)尤為突出，R.PanJ.和Chambers提出氣力輸送系統中兩個(gè)主要問(wèn)題：壓降和*小傳送條件，指出流動(dòng)特性和散裝顆料原料的特性對這兩個(gè)參數的影響。而從本文得出的結論有：
（1）入口氣體速度越大，顆粒平均速度越大，顆粒速度分布越均勻；顆粒濃度分布越均勻，沉積在管底的顆粒越少；顆粒平均濃度越??；平均氣速越大，氣速分布越均勻；若入口氣速低于一定值，管道可能會(huì )發(fā)生堵塞。
（2）通過(guò)優(yōu)化管道外形能使壓力損失減小與氣體顆粒出口速度的減少。
（3）變徑管道的優(yōu)勢可用在閥類(lèi)等關(guān)鍵部分的管道中，以減少能量損失與磨損。
經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導師的督促指導，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師樓建勇與杜學(xué)文。
衷心感謝導師樓建勇教授兩年來(lái)的細心指導和大力支持，在我求學(xué)的過(guò)程中，樓老師給予了精心的指導以及無(wú)私的幫助。樓老師在學(xué)業(yè)上的教導，一言一行更使我受益終生。
杜老師也在百忙之中抽出時(shí)間給我們單獨輔導，使我在較短時(shí)間掌握思路與運用方法。
感謝所有被引用文獻的作者！