煤炭漏斗車煤堆上表面煤炭顆粒損失的數(shù)值仿真

王東屏，劉高峰，岳凌漢 ，陳濟(jì)臣

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，遼寧 大連 116028; 2.中車齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116028)

0 引言

我國(guó)約80%的煤炭資源分布在西部、北部地區(qū)，而東部、南部卻要消耗大量的煤炭來(lái)發(fā)展工業(yè)，由此形成了由北向南、自西向東的運(yùn)輸格局[1].煤炭漏斗車在運(yùn)輸煤炭的過(guò)程中，列車的高速運(yùn)行或會(huì)車時(shí)的壓力變化會(huì)使煤炭顆粒泄露損失，給鐵路運(yùn)輸安全造成很大的隱患，同時(shí)飄落在鐵路兩側(cè)的煤炭顆粒給鐵路沿線城市造成的環(huán)境污染問(wèn)題也很突出[2].因此，解決煤炭漏斗車車體上表面煤炭顆粒飄落損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

在漏斗車研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的思路和方法基本相同，都是采用相應(yīng)的軟件分析與實(shí)車試驗(yàn)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，但是大部分學(xué)者都是集中在車體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析以及實(shí)車的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，比如焦平，田紅旗[3]以三維顆粒流程序PFC3D為計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)用其內(nèi)嵌式FISH語(yǔ)言，并結(jié)合MATLAB 軟件，得出了散粒體對(duì)漏斗車端墻的壓力基本呈三角形梯度分布等結(jié)論；田葆栓，王文[4]依據(jù)北美鐵路協(xié)會(huì)AAR M- 1001- 997《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》的相關(guān)條款，利用CAD集成軟件I-DEAS對(duì)該車車體進(jìn)行了比較詳盡的有限元結(jié)構(gòu)分析和車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)；王壽長(zhǎng)[5- 6]結(jié)合國(guó)內(nèi)外鐵路標(biāo)準(zhǔn)，分別從理論與實(shí)車試驗(yàn)角度，研究和分析了多種不同工況下散粒貨物對(duì)敞車端墻、側(cè)墻的靜壓力，同時(shí)對(duì)我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)的修改提出了合理建議.但是，就目前來(lái)看，對(duì)煤炭漏斗車在運(yùn)行過(guò)程中煤堆上表面煤炭顆粒被氣流擾動(dòng)而損失的數(shù)值分析還未涉及，而煤炭漏斗車煤炭被吹散落的主要原因是車體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車體周圍流場(chǎng)發(fā)生變化，流動(dòng)的空氣將重量較輕的煤炭向車尾飄去.因此對(duì)車體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車體周圍的多相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析十分必要.

本文以KM98型鋁合金煤炭漏斗車為研究對(duì)象，建立了一節(jié)煤炭漏斗車車廂的三維模型，數(shù)值模擬煤炭漏斗車80 km/h時(shí)速明線運(yùn)行時(shí)煤炭顆粒與空氣流動(dòng)的兩相流情況，為煤炭漏斗車的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 計(jì)算模型概述

1.1 空氣流場(chǎng)計(jì)算方法

研究煤炭漏斗車車體外流場(chǎng)及煤炭顆粒飄落損失情況的必要條件是準(zhǔn)確的描述車體外流場(chǎng)的規(guī)律，進(jìn)而揭示流場(chǎng)對(duì)煤堆上方表面煤炭顆粒損失情況的影響.

在煤炭漏斗車運(yùn)行過(guò)程中，煤炭顆粒與空氣流動(dòng)的兩相流流場(chǎng)是典型的多相流流場(chǎng)，研究多相流流場(chǎng)的流動(dòng)特性比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中力學(xué)問(wèn)題要困難得多，并且多項(xiàng)流流動(dòng)中的湍流擴(kuò)散問(wèn)題比單一流體中遇到的湍流現(xiàn)象要更加復(fù)雜，尤其是多相流流場(chǎng)中顆粒物對(duì)湍流的調(diào)節(jié)[7]；在顆粒-空氣的兩相流流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，最常用的兩相流模型是離散相模型，離散相模型是歐拉-拉格朗日模型的一種，它要求顆粒相體積較小，而且大體上均勻分布于連續(xù)相中，氣體是連續(xù)相，顆粒是離散相，首先通過(guò)連續(xù)相的計(jì)算獲得流場(chǎng)的速度、壓力等信息，然后再在拉格朗日下對(duì)單個(gè)顆粒的軌跡積分，在考慮顆粒在連續(xù)相場(chǎng)中的受力和湍流擴(kuò)散等物理過(guò)程，最終可以得到單個(gè)顆粒的軌跡.

數(shù)值模擬煤炭漏斗車車體周圍多相流流場(chǎng)主要基于RNGk-ε雙方程湍流模型[8]和 三維不可壓縮N-S方程[8]，通過(guò)求解湍流RNGk-ε雙方程模型，得到湍流動(dòng)能k及其耗散率ε，從而將湍流的脈動(dòng)值與均時(shí)值聯(lián)系起來(lái)，這樣就可以利用Reynolds平均法將湍流瞬時(shí)脈動(dòng)簡(jiǎn)化為時(shí)均化方程；為了提高計(jì)算精度，采用SIMPLE算法計(jì)算流場(chǎng)并對(duì)離散方程中的對(duì)流項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)使用中心差分格式進(jìn)行差值求解.

1.2 三維幾何模型及網(wǎng)格劃分

煤炭漏斗車的三維幾何模型非常復(fù)雜，而部分結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響微乎其微，如車體內(nèi)部含的筋板、螺栓和梁等結(jié)構(gòu)，因此需要將煤炭漏斗車三維幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除不必要的結(jié)構(gòu)，故將煤炭漏斗車簡(jiǎn)化為如圖1所示封閉幾何模型，車體的長(zhǎng)、寬、高分別為13 m×3.34 m×3.6 m.

圖1 一節(jié)煤炭漏斗車車廂簡(jiǎn)化模型

無(wú)限遠(yuǎn)處的空氣氣流對(duì)漏斗車煤堆上表面煤炭顆粒的影響微不足道，沒(méi)有研究?jī)r(jià)值，并且受現(xiàn)有計(jì)算條件的限制，所以僅對(duì)列車周圍有限區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.通過(guò)反復(fù)計(jì)算，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)、寬、高分別選取為43 m×33 m×16 m.本文網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在漏斗車上表面劃分邊界層網(wǎng)格，車體其他部分及空氣外流場(chǎng)空間區(qū)域大，可采用適當(dāng)?shù)拇蟪叽缇W(wǎng)格，計(jì)算域網(wǎng)格為192萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量良好.

邊界條件是控制方程有確定解的前提，將提高計(jì)算結(jié)果的精度以及體現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的真實(shí)性.流場(chǎng)入口為速度入口，速度為22.2 m/s；流場(chǎng)出口為靜壓出口.

1.3 煤炭顆粒物性參數(shù)及產(chǎn)生方式

影響煤炭顆粒運(yùn)動(dòng)的主要因素與其含水率和粒徑大小密切相關(guān)，文獻(xiàn)[9]中指出粒徑超過(guò)0.5 mm的較大煤炭顆粒，顆粒起動(dòng)風(fēng)速隨含水率提高變化較??；煤的堆密度是裝滿容器的煤粒的質(zhì)量與容器容積之比，文獻(xiàn)[10]中指出，焦煤的堆密度一般為700～1 200 kg/m3.因此在本次數(shù)值模擬計(jì)算中，假定煤炭密度為800 kg/m3，粒徑分別為0.5、1、3和5 mm，不設(shè)置煤炭顆粒的含水率.

由于本次數(shù)值模擬是為了分析在漏斗車車廂內(nèi)裝滿煤炭的情況下煤堆上表面與車廂上表面平齊時(shí)的第一層煤炭顆粒的飄落損失情況，因此將煤炭顆粒均勻的分布在煤堆上表面即車體上表面，并且在計(jì)算開始時(shí)僅產(chǎn)生一次，數(shù)量為2.8萬(wàn)個(gè)，如圖2所示.

圖2 煤炭顆粒分布

2 計(jì)算結(jié)果分析

模擬煤炭漏斗車體多相流流場(chǎng)采用常用的相對(duì)運(yùn)動(dòng)法，即假定煤炭漏斗車靜止，空氣來(lái)流以與漏斗車運(yùn)行方向相反的速度吹向漏斗車.為了得到較為理想的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算時(shí)，先對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)煤炭顆粒運(yùn)行.當(dāng)計(jì)算區(qū)域流場(chǎng)穩(wěn)定后，再加入煤炭顆粒進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算.經(jīng)多次計(jì)算得知，穩(wěn)態(tài)計(jì)算到1 000步時(shí)，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定；瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s，計(jì)算列車運(yùn)行7 s.

2.1 煤炭漏斗車車體表面外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

煤炭漏斗車穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，前端墻是迎風(fēng)面，正對(duì)空氣來(lái)流方向，氣流在此處被滯止，速度幾乎為零，所以此處正壓值最大，為327 Pa，表面壓力呈正壓狀態(tài)，側(cè)墻及后端墻表面處于負(fù)壓狀態(tài)，如圖3所示.

圖3 漏斗車表面壓力分布

由于漏斗車前端墻非流線型結(jié)構(gòu)并且沒(méi)有導(dǎo)流板等設(shè)施，氣流在其車體前端墻受到阻礙，部分氣流以一定角度向上運(yùn)動(dòng)，在漏斗車上表面前部有明顯的渦流產(chǎn)生；氣流到達(dá)車體中部時(shí)，由于車體上表面平坦，貼近上表面區(qū)域空氣流速較小，速度變化比較平穩(wěn)；氣流到達(dá)車體尾部后，與下方氣流的相互作用，形成尾流區(qū).圖4為煤炭漏斗車車體周圍速度矢量圖.

圖4 漏斗車車體中心縱向截面(Z=0)速度矢量

圖5是不同時(shí)刻車體中心縱向截面壓力云圖，在2 s時(shí)，前沿上表面由于受空氣渦流影響，壓力較小，呈負(fù)壓狀態(tài)，車體上表面其它區(qū)域壓力比較平穩(wěn)；在4 s時(shí)，由于前方煤炭顆粒被氣流帶動(dòng)飄起，散落到車體后方流場(chǎng)，影響車體周圍壓力分布，使得車體后方正壓區(qū)域擴(kuò)大，正壓區(qū)域向前移動(dòng)；隨著車體的不斷前進(jìn)，煤炭顆粒飄起的越來(lái)越多，車體上表面壓力逐漸增大，在8 s時(shí)，正壓區(qū)域?qū)④圀w上表面包圍，車體上表面僅在車前端為負(fù)值，其他區(qū)域全部為正值.

圖5 不同時(shí)刻中心縱向截面壓力云圖

2.2 粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失情況分析

從圖6，圖7可以看出，當(dāng)煤炭漏斗車運(yùn)行過(guò)程中，由于車體上表面前部有渦流產(chǎn)生，煤炭顆粒在車體前端產(chǎn)生短暫的堆積現(xiàn)象；由于車體尾部存在渦流，流向車體后端的煤炭顆粒沒(méi)有立刻落于車體下方，而是被尾部渦流帶向后方流場(chǎng)；隨著車體的不斷前行，煤炭顆粒受周圍流場(chǎng)的影響，更多的顆粒隨高速氣流流向車體側(cè)墻和后端墻外部的流場(chǎng)中.

圖6 車體前部渦流

圖7 車體尾部渦流

結(jié)合圖6～圖 9可以得出，在1.05 s時(shí)，煤炭已有部分被氣流帶起，在2 s時(shí)，煤堆上方表面煤炭顆粒開始減少，由于在煤堆前部上方的流場(chǎng)中存在渦流，導(dǎo)致車體中前部的煤炭顆粒往上游聚集，在煤堆前端有顆粒堆積現(xiàn)象；在2～4 s顆粒減少量呈直線下降趨勢(shì)，在4 s時(shí)，由于受氣流和重力的雙重影響，被氣流帶起的煤炭顆粒落于側(cè)方及后方，同時(shí)車體后部的煤炭顆粒大部分被氣流帶起，流向車尾，中部的顆粒首先減少，車體前端仍有相對(duì)較多的煤炭存在；隨著車體的運(yùn)行，在運(yùn)行8 s時(shí)，煤堆上表面的煤炭顆粒在氣流的作用下大部分朝下游飄落損失掉了，僅剩720個(gè)，占總數(shù)的2.5%.也就是說(shuō)，97.5%的表面煤炭顆粒被吹離車體上表面.

圖8 不同時(shí)刻煤堆表面第一層煤炭顆粒分布

圖9 不同時(shí)刻煤堆表面第一層煤炭 顆粒損失量隨時(shí)間變化曲線

2.3 不同粒徑下的煤炭顆粒損失情況分析

由圖10可知，隨著煤炭顆粒粒徑的增大，滯留在煤堆上表面的煤炭顆粒數(shù)量呈上升趨勢(shì)，即煤炭顆粒粒徑越大，煤炭顆粒損失越少.

圖10 t=8 s時(shí)刻不同粒徑的煤炭顆粒分布對(duì)比

圖11所示為不同粒徑下的煤炭顆粒隨時(shí)間變化曲線，可以看出，在2s時(shí)車體上表面粒子幾乎相等，隨著漏斗車的前行，煤堆上表面第一層的煤炭顆粒越來(lái)越少，損失量隨之增大，在8 s時(shí)，粒徑為0.5 mm和1 mm的煤炭顆粒都在氣流的作用下大部分飄落損失掉了，滯留在車體上方表面的粒子分別為720個(gè)和1 184個(gè)，粒徑為3 mm的煤炭顆粒還剩4 723個(gè)，粒徑為5 mm的煤炭顆粒剩余最多，為8 690個(gè).

圖11 不同粒徑下的煤炭顆粒損失量隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)表1可以得出，煤炭漏斗車煤堆表面煤炭顆粒的損失量隨著粒徑的增大而減小，粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失最大，為97.5%，粒徑為5 mm的煤炭顆粒損失最小，粒徑為1、3、5 mm的煤炭顆粒相比于0.5 mm的分別下降1.5%、14.5%和28.5%，這就說(shuō)明煤炭顆粒粒徑增大，顆粒重力隨之增大，在同等外界環(huán)境下，重力大的粒子不易被吹走，致使損失量減少，即煤炭漏斗車在運(yùn)輸過(guò)程中損失減小.

表1 不同粒徑的煤炭顆粒損失量對(duì)比

煤炭漏斗車在裝車前會(huì)給煤堆上表面噴灑粘結(jié)劑，會(huì)使其表面的煤炭顆粒粘結(jié)成小塊，也就是說(shuō)會(huì)使煤炭顆粒的粒徑增大，損失相應(yīng)減少，但是運(yùn)輸成本也會(huì)增加，效益會(huì)相對(duì)減少.如果可以將較小的顆粒放置于車廂內(nèi)部，而將較大粒徑的煤炭顆粒放置于車體上方表面，煤炭泄漏量隨之會(huì)減少，對(duì)沿途城市的污染一定會(huì)減輕.

3 結(jié)論

通過(guò)建立KM98煤炭漏斗車三維模型，采用有限體積法的數(shù)值模擬方法，利用CFD仿真軟件SC/Tetra對(duì)漏斗車以80 km/h時(shí)速明線運(yùn)行進(jìn)行了多相流流場(chǎng)的數(shù)值模擬.分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)煤炭漏斗車在運(yùn)行過(guò)程中，車體前端墻為迎風(fēng)面，成正壓狀態(tài)，車體側(cè)墻及后端墻處于負(fù)壓狀態(tài)；在煤堆上表面前部和尾部有明顯的渦流產(chǎn)生，在煤堆中部上表面區(qū)域空氣流速小，速度變化都比較平穩(wěn)；

(2)由于煤堆上表面前部存在渦流，中部的煤炭顆粒先被吹起，煤炭顆粒在車體前端產(chǎn)生短暫的堆積現(xiàn)象，隨后被前端的氣流帶動(dòng)，朝下游飄去；由于受尾部渦流和重力影響，飄向的煤炭顆粒落于車體側(cè)墻和后端墻外部的流場(chǎng).隨著漏斗車的運(yùn)行，在8 s時(shí)，車體上表面煤炭顆粒在氣流的作用下大部分朝下游飄落損失掉了；

(3)煤炭顆粒損失量與粒徑大小有關(guān).粒徑為0.5 mm的煤炭顆粒損失最大，為97.5%，粒徑為5 mm的煤炭顆粒損失最小，為69%，粒徑為1、3、5 mm的煤炭顆粒相比于0.5 mm的分別下降1.5%、14.5%和28.5%，可以得出煤炭顆粒的損失量與其粒徑成反比關(guān)系，即煤炭顆粒粒徑越大，損失量越小，可見(jiàn)漏斗車在運(yùn)輸過(guò)程中，如果可以將較大粒徑的煤炭顆粒放置于車體上方表面，煤炭泄漏量隨之會(huì)減少，對(duì)沿途城市的污染一定會(huì)減輕.

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