砂丘模型在气力输送粒子运动特性分析中的应用
日期: 2022/5/27 浏览: 2 来源: 学海网收集整理 作者: 谢春娥 崔玉伟
（南京艾尔康威物料输送系统有限公司，江苏 南京 211113）
摘要：为了改善气力输送粒子运动性能，选择砂丘模型作为研究工具，设计该模型在管道正压气力输送装置中的不同应用工况。其中，模型角度及各项尺寸参数保持不变，以模型安装位置为变量。综合分析粒子输送压力损失、粒子速度性能、速度脉动强度性能实验测试结果，砂丘模型在装置中的安装起到了很大的节能作用，建议选择工况1作为安装方案。
关键词：砂丘模型；粒子输送；PIV系统
气力输送作为工业生产过程中的主要物料输送模式，在建材、冶金、电力、化工等行业均有所应用[1]。由于该输送模式耗能较多，想要拓宽其应用范围，控制物料输送成本，需要对其物料输送性能进行改进。传统的输送系统通过提高空气速度来完成物料输送操作，然而这种作业模式不仅对管道造成了严重磨损，而且能力利用率也比较低，存在部分物料破损情况[2]。为了弥补传统输送系统存在的不足，国内外研究学者尝试提出砂丘模型。该模型虽然能够在一定程度减少能量损失，但是如何进一步改善物料颗粒输送性能成为了难题[3]。本文引入PIV技术，构建砂丘模型，以物料颗粒速度脉动能量作为研究突破口，尝试对颗粒运动特征进行分析，以选择砂丘模型在气力输送中应用的最佳方案。
1 砂丘模型
通过整理大量文献资料，提取文献【4】和文献【5】的设计思想，构建砂丘模型，如图1所示。
（a）砂丘角度及各项尺寸参数 （b）砂丘粒子入口及流向
图1 砂丘模型
该模型的主要材料为黏土，关于角度及各项尺寸参数的设置，本研究在很多研究成果基础上进行了调整，针对参数影响分析结论，大胆提出新的模型构建方法，并对其应用工况进行设置，探究不同工况应用条件下的物料粒子输送运动特性。其中，砂丘模型的安装位置是变量，观察不同位置安装条件下物料粒子速度分布情况，从中得出实验结论。
工况1：将砂丘模型安装在物料进口下方，物料进入输送管道时，大部分物料直接与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
工况2：将砂丘模型安装在物料进口左下方，与进口处保持约为1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，大部分物料进入管道后与其发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
工况3：将砂丘模型安装物料进口左上方，与进口处保持约为1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，物料进入管道后少部分与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
2 实验设计
2.1 实验装置与材料
本实验选取水平管正压气力输送系统作为实验装置，利用该装置输送物料粒子，同时检测粒子运动性能。如图1所示为装置结构。
图2 管道正压气力输送装置结构
该装置主要由压力传感器1、压力传感器2、送料管、分离器、回料管、出料阀、储料仓、流量计、风机A、回料仓、风机B组成。装置总长度为5m，内径80mm。
本次实验选取聚乙烯颗粒作为实验材料，该材料属于固相物料，粒径3.3mm，最终速度8.6m/s，密度952kg/m3。装置作业期间，设置物料质量流量0.45kg/s，同时控制物料输送速度，上限值为16.5m/s，下限值为10m/s。通过检测物料粒子在装置中的运动状态信息，对其输送速度加以控制，使其得以保持在固定范围内完成输送操作。
2.2 实验方法
本次实验采用图像测速方法，对装置内粒子输送速度加以检测，通过对比分析，从中得出一些实验结论。其中，粒子图像测速选取的工具为PIV系统，利用该系统采集水平管道内部物料粒子传输期间的速度分布信息。为了提高PIV系统图像测速性能，选取型号为Photron FASTCAMMAX I2高速摄像机作为图像拍摄工具，该设备快门速度高达0.1ms，作业参数帧率设定数值为1000。实验环境中，以2W高强度绿光作为激光源，并且对其连续性要求较高，设定光束厚度5mm，拍摄图像规格80mm×110mm。利用装置采集3个位置粒子图像信息，图1中A位置（距离粒子入口0.3m），B位置（距离粒子入口2m），C位置（距离粒子入口3.5m）。
按照粒子追踪测速PTV原理，对物料粒子作业状况加以检测，所以检测采集到的数据均发送控制中心计算机中，运行Sigmascan Pro5软件分析数据。目前，PIV技术在很多实验中有所应用，与PTV追踪测速方法相比，PIV粒子测速精度较高，两种技术应用结果误差仅有1.18%。所以，本实验采用PIV方法检测物料粒子的运动速度较为可靠。
3 实验结果分析
3.1 气力输送期间压力损失分析
实验中，分别在物料输送入口和出料口两个位置安装压力传感器，用来计算物料粒子输送期间损失的压力。为了检验砂丘模型在装置中应用功效，设置对照组，即未安装砂丘模型条件下的物料粒子输送。实验组则为本实验设置的3种工况，将砂丘模型安装在不同位置，观察其对物料粒子输送压力的影响。与此同时，测量气流速度，关于该参数数值的采集，利用孔板流量计完成。按照设定的实验方法和测量方法，分别对不同工况条件下的物料粒子传输压力损失及空气速度进行测试，结果如表1所示。
表1 不同工况下物料粒子传输压力损失及空气速度测试结果
工况 不同空气速度（m s-1）测量结果对应的压力损失（kPa）
10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5
无砂丘 —— —— 1.62 1.43 1.26 1.20 1.17 1.21 1.32
工况1 1.22 1.22 1.23 1.26 1.29 1.35 1.39 1.43 ——
工况2 1.35 1.40 1.47 1.51 1.56 1.61 1.68 1.72 ——
工况3 —— 1.82 1.58 1.54 1.56 1.57 1.62 1.67 ——
测试结果显示，12.0m s-1空气速度是砂丘模型应用效果影响分界点。当空气速度高于此分界点时，无砂丘工况的物料粒子传输产生的压力损失更小，工况2和工况3的压力损失偏大，工况1压力损失偏小，但是高于无砂丘工况条件下的压力损失。当空气速度低于分界点时，工况1的压力损失明显低于无砂丘工况条件下的压力损失。之所以会出现此情况，物料粒子从入口进入管道时，粒子受气动影响，从砂丘上行弯曲面流过时，大量粒子悬浮，减少了粒子堆积量，此时粒子输送期间造成的碰撞及摩擦都会减少，有利于物料粒子加速传输。在此期间，通过安装砂丘模型，占据了管道一定空间，导致管道截面面积减小，所以当空气流量固定情况下，粒子气流速度有所增加。
从整体来看，砂丘模型在气力输送装置中的应用，能够减少装置作业期间的压力损失，工况1改善效果明显。为了深入验证砂丘模型应用节能作用，对管道内部结构中的物料粒子输送速度加以测量。设定13m/s作为PIV测量空气速度，该数值低于无砂丘模型应用工况条件下粒子输送最小速度。根据测量结果可知，当PIV测量速度数值继续减小时，处于无砂丘模型应用工况下的粒子会出现大量堆积情况，加大了PIV测量难度。
3.2 气力输送期间粒子速度分布
假设粒子当前所处位置与入口处的距离为x，水平管x:d代表无量纲，测量沿着管道水平方向的粒子运动平均速度，即相对入口处的平均速度。测量结果如表2所示。
表2 多种无量纲工况下管轴向上粒子速度测量结果
工况 x:d无量纲工况下粒子相对平均速度（m/s）
4.5（位置A） 20.5（位置B） 45.5（位置C）
无砂丘 0.32 0.36 0.38
工况1 0.42 0.49 0.49
工况2 0.42 0.54 0.54
工况3 0.38 0.41 0.42
表2中，无砂丘模型应用工况的粒子相对平均速度明显低于应用无砂丘模型3种工况的粒子相对平均速度，并且工况2条件下粒子相对平均速度更大一些。另外，粒子从位置A输送到位置B时，速度明显增加，但是从位置B到位置C的运动，速度几乎保持不变。因此，位置A到位置B之间，判定为粒子作业加速区，位置B到位置C之间，判定为粒子作业匀速区。相比之下，粒子在加速区的运动更加活跃，并且位置B处粒子作业速度决定了下游粒子输送流态。
关于不同轴向位置粒子平均速度分布的探究，设定y为与管底距离，管底处y=0，y:d代表无量纲。粒子以加速运动状态输送，首次经过300mm输送到位置A时，不同工况条件下的粒子相对平均速度测量结果如表3所示。
表3 不同工况条件下的粒子相对平均速度测量结果（x=0.3m）
工况 y:d无量纲工况下粒子相对平均速度（m/s）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
无砂丘 0.25 0.26 0.26 0.28 0.30 0.34 0.36 0.38 0.39 0.40
工况1 0.39 0.37 0.36 0.38 0.40 0.43 0.45 0.47 0.48 0.49
工况2 0.38 0.38 0.39 0.40 0.41 0.44 0.45 0.48 0.49 0.50
工况3 0.32 0.32 0.33 0.35 0.37 0.38 0.38 0.39 0.41 0.48
表3中，工况1和工况2的粒子相对平均速度更大一些，与对照组相比，安装砂丘模型条件下，粒子在砂丘曲面发生悬浮，对粒子运动速度的增加帮助较大。另外，当粒子到位置B时，测得的粒子速度变化规律与位置A变化规律相似，结论相同。
3.3 气力输送期间粒子速度脉动强度变化
本次实验在管顶附近，测量不同工况下粒子速度脉动强度，结果如表4所示。
表4 气力输送期间不同工况下粒子速度脉动强度
工况 y:d无量纲工况下粒子速度脉动强度（×10-3）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
无砂丘 0.0 0.60 0.82 0.91 0.92 0.93 0.93 0.95 0.96 0.97
工况1 0.0 0.62 0.83 0.92 0.93 0.94 0.96 0.97 0.98 0.98
工况2 0.00 0.57 0.77 0.85 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.95
工况3 0.00 0.58 0.80 0.88 0.89 0.90 0.92 0.93 0.95 0.96
观察表4中统计结果可知，管顶附近，工况1应用条件下的粒子速度脉动强度高于无砂丘模型应用条件下的粒子速度脉动强度。
综合分析，砂丘模型的添加，对水平管正压气力输送系统的高效作业帮助较大，最佳应用方案为工况1。
4 总结
本文围绕气力输送粒子运动特性展开实验分析，选择砂丘模型作为气力输送粒子运动特性改善工具，通过设定不同工况，确定最佳模型应用方案。实验结果显示，压力损失、粒子速度性能的对比中，工况1优势较大，粒子速度脉动强度性能对比中，工况1和工况2优势较大。综合对比之下，建议选择工况1应用方案作为管道正压气力输送装置作业工况。
参考文献：
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[5]武云文,刘思思,谢玉莹,等.超音速火焰喷涂过程中粒子运动特性的数值模拟[J].材料科学与工艺,2021,29(5):1-8.
作者简介：
谢春娥(1983年1月)，女，本科学历，初级工程师，研究方向:物料气力输送；
崔玉伟(1988年12月) ，男 ，本科 ，助理工程师，研究方向：气力输送系统、自动化控制。
