消失模型砂气力输送运动行为的数值模拟研究

摘要

气力输送是利用气体作为输送介质，将管道中的固相颗粒物料从一处运往另一处的输送方式。因在输送过程中没有回程，且管道中的固相颗粒物料与外界环境完全隔绝，既不会受到外界环境的影响，也不会对外界环境造成污染，设备也比较简单，是一种环境友好型的输送方式。因此，气力输送越来越受到各行各业的关注，有着广泛的应用前景。
　　本文采用数值模拟的方法，对粒径大、真密度高的铸造用型砂颗粒在垂直提升管及水平输送管气力输送过程中的气固两相流动特性进行了模拟分析。基于FLUENT模拟过程中对气相采用k-ε标准方程模型，将型砂固相颗粒看作拟流体，建立了以固相颗粒动力学为理论基础的欧拉双流体的数学物理模型。
　　基于 FLUENT软件平台，利用已建立的以固相颗粒动力学为理论基础的欧拉双流体数学物理模型，根据已知的输送要求及工艺参数，再结合其他的一些实际应用中的输送条件，分别对不同工况下垂直提升管及水平输送管中的气力输送过程进行模拟研究，得到了不同工况下，气固两相的速度分布、浓度分布及压降分布。针对垂直提升管的模拟结果得到以下结论：不论空气输送速度是否变化，气固两相在垂直提升管中始终存在加速阶段和恒速阶段；而且，型砂颗粒在提升管内的停留时间随着空气输送速度的增加而减短，即型砂颗粒的输送速度随着空气输送速度的增加而增加；当颗粒密度增大时，提升管内的静压力也增大，同时管道内的静压降也变大。
　　针对水平输送管的模拟结果得到以下结论：与垂直提升管中的气力输送过程相同，水平输送管道中的气力输送过程可以分为加速和恒速两个阶段；当空气输送速度及固相颗粒密度均保持不变时，在水平方向上，固相颗粒的浓度呈中心高、壁面低的分布；在垂直方向上，固相颗粒呈“I”型分布；在输送量一定的情况下，任凭空气输送速度变化，始终存在一个最佳经济速度点；在空气输送速度一定的情况下，最佳经济速度及压降均随着输送量的增大而增大。且在气力输送过程中，水平管道中的压降比垂直提升管中的压降小，最佳经济速度也比垂直提升管小。当其他参数均保持不变时，当固相颗粒密度有所增大时，压降也会有所下降；当固相颗粒密度的增大时，最佳经济速度先降低后增大，意味着对应最低输送能耗有一个最佳密度值。
　　通过对不同管道中气固两相流的流动特性进行研究，准确掌握管道内部流动状况，对减小输送过程中对管道的影响，以及提高输送效率和工厂实际改造都有一定的指导意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 气力输送技术及发展

1.3 气力输送的特点

1.4 气力输送系统的分类

1.5 气力输送过程中的动力学特征

1.6 气力输送的输送状态

1.7 气力输送的研究现状

1.8 研究内容及意义

第2章 气固两相流基本理论与FLUENT软件简介

2.1 气固两相流的主要参数

2.2 气力输送过程中固相颗粒的受力分析

2.3 气固两相流的流动模型

2.4型砂气固两相流数学模型的简化假设

2.5型砂气固两相流数学模型的选取

2.6 FLUENT软件介绍及求解过程

2.7几何模型的建立与网格划分

2.8边界条件

2. 9垂直提升管中的FLUENT求解过程

2.10本章小结

第3章 垂直提升管中气力输送的数值模拟分析

3.1 垂直提升管中气力输送计算的基本条件

3.2计算结果分析与讨论

3.3空气输送速度对气固两相流场的影响

3.4固相颗粒密度对其在管道内的压降的影响

3.5本章小结

第4章 水平输送管中气力输送的数值模拟分析

4.1模型特征

4.2边界条件

4.3水平输送管道的横截面上固相颗粒、空气相平均速度沿管道长度的变化

4.4固相颗粒浓度分布

4.5气固两相轴向速度分布

4.6输送空气速度和输送量对压降和最佳经济速度的影响

4.7输送空气速度对固相颗粒浓度分布和气固两相速度的影响

4.8固相颗粒密度对水平管道中气力输送过程的影响

4.9 本章小结

结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文