01項目背景

氣力輸送主要可以分為密相輸送和稀相輸送：密相輸送通過機械力或氣力將物料推動或抽吸到輸送管道當中，通過管道的壓差和物料自身的重力來進行輸送，適用于長距離大流量的輸送；稀相輸送通過氣體的壓縮和加速作用將物料懸浮在氣流中，然后通過管道的氣流動力學特性來完成輸送，適用于輸送易揮發、易結塊、易變質的物料。

該氣力輸送項目粉體入料粒度分布在200-600微米，固氣比為20，屬于密相輸送，成栓流狀態。仿真需要關注其粉體輸送過程的壓降、物料流動狀態、物料在管道內的速度變化以及管道的磨損情況，從而對系統進行評估及優化。

1.1 簡化模型

1.2工況參數

02仿真方案

2.1EDEM-CFD耦合仿真

本氣力輸送案例屬于湍流氣固兩相流。在這種湍流氣固兩相流流動過程中，氣相的湍流結構由于顆粒的存在而發生較大的改變。

氣固兩相的各種能量傳遞受到氣相與固相的影響，在建立湍流流動模型時，需要考慮顆粒與流體之間的作用，流體自身湍流效應，以及顆粒之間的相互作用。

針對該案例特點，選擇EDEM-CFD耦合仿真能夠較準確地模擬粉體物料氣力輸送的過程。

2.2EDEM相對磨損模型

EDEM中的相對磨損(Relative Wear)模型能夠確定設備高沖擊(法向)和高磨蝕(切向)區域。
該模型根據物料與設備之間的相對速度和相關力進行計算，提供數據以表明正在發生磨損的區域。其主要運用了四個相對磨損性能來評估磨損。分別是法向累積接觸能、切向累積接觸能、法向累積力和切向累積力。其中，法向累積接觸能和切向累積接觸能分別測量因材料碰撞和滑動而產生的累積能量。

根據物料和管道的相互作用產生的碰撞能量分布，可以反映管道易磨損及物料易破碎區域。

2.3粉體建模

主要遇到的一個挑戰是：粉體顆粒粒徑分布在200到600微米，其顆粒粒度較小。在EDEM中，穩定時間步長與顆粒粒徑呈指數級關系，因此，對粉體精確建模就意味著龐大的計算量，尤其這個案例的輸送管線還十分長。
在EDEM中，針對粉體建模采用“介觀”等效放大顆粒，并提供了Calibration Kits和EDEMCal物料標定工具，使在減少計算量的同時，能夠保證其計算的精確度。

在該案例中，使用粗顆粒模型4倍放大顆粒，在設置流場與顆粒相相互作用的曳力時通過顆粒放大因子校準粗顆粒模型曳力與真實顆粒曳力相同。

2.4氣相參數設置

與EDEM的雙向耦合，既考慮流體和顆粒之間的作用，又考慮顆粒對流體的作用。

將氣力輸送的三維模型導入CFD軟件進行前處理，模型的邊界條件設置氣體體積速度入口邊界，壓力出口邊界。

03仿真結果與分析

3.1流場壓力

物料顆粒在輸送管線中從靜止到起動并達到穩定的輸送速度，需要消耗相應的氣流能量，因此造成壓力損失。

氣力輸送進行過程中，管線內物料顆粒逐漸增加，當顆粒在流體中懸浮或運動時，顆粒表面與流體之間的摩擦阻力增加，壓力損失增大。壓降由初始時刻5.4 kPa，逐漸增加至75.4 kPa。

3.2物料速度

由下圖可知，物料在管線內輸送垂直管速度>垂直彎管速度>水平管速度>水平彎管速度，相同類型管道，距離輸送端位置越遠物料平均速度越快。

3.3磨損分析

氣力輸送過程中顆粒最易破碎和管道最易磨損的區域都在彎頭處。

這主要是因為顆粒在離心力的作用下經過彎頭時顆粒像一根繩子集中于管道一側，未經緩沖減速集中沖擊彎頭外側壁面，且出口顆粒偏向一側，氣動效率低，這種現象稱為“繩索效應”。

分析物料基本均勻分布在管線情形下，彎管位置壁面與物料的相互作用力。

除彎管2和彎管8，法向力和切向力在其他彎管處范圍比較一致，法向力在0.005 ~ 0.01 N范圍波動，切向力在0.002 ~ 0.004 N范圍波動。

彎管2和彎管8兩處垂直彎管的壁面-物料作用力大于其他位置，表明物料在該位置發生破碎的可能性更高，細粉率增加。

整個管線水平管、垂直管和彎管的累積接觸能分布如下圖所示。累積能表示物料和管線碰撞能量的累加值。

在垂直管至水平管的彎管2處碰撞能量＞其他彎管碰撞能量＞水平管碰撞能量＞垂直管碰撞能量。

彎管8物料到達時間比較晚，所以表現的累積接觸能在最終時刻累計值不如作用力明顯大于其他位置。

04總結

本報告利用EDEM離散元仿真軟件和CFD耦合，對物料在管線內的氣力輸送過程進行模擬仿真，分析了入口和出口的壓力分布及壓降，料流變化及物料速度分布，并運用EDEM相對磨損模型分析了管道易磨損及物料易發生破碎的區域。由此我們能夠得知：

（1）粉體氣力輸送過程的各種能量傳遞受到氣相與固相的相互影響，EDEM-CFD耦合仿真能夠綜合考慮顆粒與流體之間的作用、流體自身的湍流效應以及顆粒之間的相互作用，較為準確地還原真實粉料輸送過程。

（2）密相輸送的特征是出現栓流，而稀相輸送類似于流化狀態。在軟件中主要是通過固氣比及不同的給料方式進行體現。

（3）EDEM中的相對磨損模型根據物料和管道相互作用產生的碰撞能量分布，能夠反映管道易磨損及物料易破碎區域。

（4）在EDEM中，穩定時間步長與顆粒粒徑呈指數級關系，對整個粉體氣力輸送系統仿真意味著龐大的計算量。因此建議從局部問題切入進行研究，例如垂直管、水平管、垂直彎管、水平彎管處造成的壓力損失、料流變化等，從而對系統進行評估及優化。
通過EDEM-CFD對氣力輸送系統進行仿真研究，能夠更好地理解氣力輸送的原理和特點，為系統的設計、優化和故障排查提供有力的參考和數據支持。