謝春娥?崔玉偉

摘 要：為了改善氣力輸送粒子運(yùn)動(dòng)性能，選擇砂丘模型作為研究工具，設(shè)計(jì)該模型在管道正壓氣力輸送裝置中的不同應(yīng)用工況。其中，模型角度及各項(xiàng)尺寸參數(shù)保持不變，以模型安裝位置為變量。綜合分析粒子輸送壓力損失、粒子速度性能、速度脈動(dòng)強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示，將砂丘模型安裝在裝置中能起到較大的節(jié)能作用，建議選擇工況1作為安裝方案。

關(guān)鍵詞：砂丘模型;粒子輸送;PIV系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH232 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-00-03

Application of Sand Mound Model in the Analysis of Particle Motion

Characteristics of Pneumatic Conveying

XIE Chun’e CUI Yuwei

（Nanjing Elconway Material Conveying System Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu 211113）

Abstract： In order to improve the particle motion performance of pneumatic conveying， the sand mound model is selected as the research tool， and the different application conditions of the model in the pipeline positive pressure pneumatic conveying device are designed. Among them， the model angle and various dimensional parameters remain unchanged， with the model installation position as the variable. The test results of particle conveying pressure loss， particle velocity performance and velocity pulsation strength performance are comprehensively analyzed. The results show that installing the sand mound model in the device can play a great role in energy saving. It is suggested to select condition 1 as the installation scheme.

Keywords： sand mound model;particle transport;PIV system

氣力輸送作為工業(yè)生產(chǎn)過程中主要的物料輸送模式，在建材、冶金、電力、化工等行業(yè)均有所應(yīng)用[1]。由于該輸送模式耗能較多，為了拓寬其應(yīng)用范圍，控制物料輸送成本，需要對(duì)其物料輸送性能進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的輸送系統(tǒng)通過提高空氣速度來完成物料輸送，但這種作業(yè)模式不僅對(duì)管道造成了嚴(yán)重磨損，而且利用率較低，存在部分物料破損的情況[2]。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)存在的不足，國內(nèi)外研究學(xué)者嘗試提出砂丘模型。該模型雖然能夠在一定程度上減少能量損失，但如何進(jìn)一步改善物料顆粒輸送性能成為新的難題[3]。筆者引入粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)，構(gòu)建砂丘模型，以物料顆粒速度脈動(dòng)能量作為研究突破口，嘗試對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，以選出砂丘模型在氣力輸送中應(yīng)用的最佳方案。

1 砂丘模型

通過整理大量文獻(xiàn)資料，提取文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建砂丘模型，如圖1所示。

該模型的主要材料為黏土。關(guān)于角度及各項(xiàng)尺寸參數(shù)的設(shè)置，本研究在很多研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。針對(duì)參數(shù)影響分析結(jié)論，大膽提出新的模型構(gòu)建方法，并設(shè)置其應(yīng)用工況，探究不同工況應(yīng)用條件下的物料粒子輸送運(yùn)動(dòng)特性。其中，砂丘模型的安裝位置是變量，觀察不同位置安裝條件下物料粒子速度分布情況，從而得出試驗(yàn)結(jié)論。

工況1：將砂丘模型安裝在物料進(jìn)口下方，物料進(jìn)入輸送管道時(shí)，大部分物料直接與砂丘模型發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運(yùn)動(dòng)方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動(dòng)方向。

工況2：將砂丘模型安裝在物料進(jìn)口左下方，與進(jìn)口處保持約1個(gè)模型長度的距離，物料進(jìn)入輸送管道時(shí)，不會(huì)直接與砂丘模型發(fā)生撞擊，大部分物料進(jìn)入管道后與其發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運(yùn)動(dòng)方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動(dòng)方向。

工況3：將砂丘模型安裝在物料進(jìn)口左上方，與進(jìn)口處保持約1個(gè)模型長度的距離，物料進(jìn)入輸送管道時(shí)，不會(huì)直接與砂丘模型發(fā)生撞擊，物料進(jìn)入管道后少部分與砂丘模型發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運(yùn)動(dòng)方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動(dòng)方向。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置與材料

本試驗(yàn)選取水平管正壓氣力輸送系統(tǒng)作為試驗(yàn)裝置。利用該裝置輸送物料粒子，檢測粒子的運(yùn)動(dòng)性能。圖2為管道正壓氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)。

該裝置主要由壓力傳感器1、壓力傳感器2、送料管、分離器、回料管、出料閥、儲(chǔ)料倉、流量計(jì)、風(fēng)機(jī)A、回料倉及風(fēng)機(jī)B組成。裝置總長度為5 m，內(nèi)徑為80 mm。

本研究選取聚乙烯顆粒作為試驗(yàn)材料。該材料屬于固相物料，粒徑為3.3 mm，最終速度為8.6 m/s，密度為952 kg/m。裝置作業(yè)期間，設(shè)置物料質(zhì)量流量為0.45 kg/s，同時(shí)控制物料輸送速度，上限值為16.5 m/s，下限值為10 m/s。通過檢測物料粒子在裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其輸送速度加以控制，使其保持在固定范圍內(nèi)完成輸送操作。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用圖像測速方法，對(duì)裝置內(nèi)粒子輸送速度進(jìn)行檢測，并通過對(duì)比分析得出試驗(yàn)結(jié)論。其中，粒子圖像測速選取的工具為PIV系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集水平管道內(nèi)部物料粒子傳輸期間的速度分布信息。為了提高PIV系統(tǒng)的圖像測速性能，選取型號(hào)為Photron FASTCAM

MAX I2的高速攝像機(jī)作為圖像拍攝工具。該設(shè)備快門速度高達(dá)0.1 ms，作業(yè)參數(shù)幀率設(shè)定數(shù)值為1 000。試驗(yàn)以2 W高強(qiáng)度綠光作為激光源，其連續(xù)性要求較高，設(shè)定光束厚度為5 mm，拍攝圖像規(guī)格為80 mm×110 mm。利用裝置采集3個(gè)位置的粒子圖像信息，包括圖2中A位置（距離粒子入口0.3 m）、B位置（距離粒子入口2 m）和C位置（距離粒子入口3.5 m）。

按照粒子追蹤測速（Particle Tracking Velocime，PTV）原理，對(duì)物料粒子作業(yè)狀況加以檢測，所有檢測采集的數(shù)據(jù)均發(fā)送至控制中心計(jì)算機(jī)中，并運(yùn)行Sigmascan Pro5軟件分析數(shù)據(jù)。目前，PIV技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于較多試驗(yàn)。與粒子追蹤測速（PTV）方法相比，PIV技術(shù)對(duì)粒子的測速精度較高，兩種技術(shù)應(yīng)用結(jié)果誤差為1.18%。所以，本試驗(yàn)采用PIV方法檢測物料粒子的運(yùn)動(dòng)速度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氣力輸送期間壓力損失分析

試驗(yàn)中，分別在物料輸送入口和出料口安裝壓力傳感器，以計(jì)算物料粒子輸送期間損失的壓力。為了檢驗(yàn)砂丘模型在裝置中的應(yīng)用功效，設(shè)置對(duì)照組，即未安裝砂丘模型條件下的物料粒子輸送。試驗(yàn)組則為本試驗(yàn)設(shè)置的3種工況，將砂丘模型安裝在不同位置，觀察其對(duì)物料粒子輸送壓力的影響。與此同時(shí)，利用孔板流量計(jì)測量氣流速度。按照設(shè)定的試驗(yàn)方法和測量方法，對(duì)不同工況條件下的物料粒子傳輸壓力損失進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

測試結(jié)果顯示，12.0 m/s空氣速度是砂丘模型應(yīng)用效果影響的分界點(diǎn)。當(dāng)空氣速度高于此分界點(diǎn)時(shí)，無砂丘工況下的物料粒子傳輸產(chǎn)生的壓力損失更小，工況2和工況3的壓力損失偏大，工況1的壓力損失偏小，但是高于無砂丘工況條件下的壓力損失。當(dāng)空氣速度低于分界點(diǎn)時(shí)，工況1的壓力損失明顯低于無砂丘工況條件下的壓力損失。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)槲锪狭Ｗ訌娜肟谶M(jìn)入管道時(shí)，粒子受氣動(dòng)影響。從砂丘上行彎曲面流過時(shí)，大量粒子懸浮，減少了粒子堆積量，也會(huì)減少粒子輸送期間造成的碰撞及摩擦，有利于物料粒子加速傳輸。在此期間，安裝砂丘模型占據(jù)了管道一定的空間，導(dǎo)致管道截面面積減小，所以當(dāng)空氣流量固定時(shí)，粒子氣流速度有所增加。

從整體來看，砂丘模型在氣力輸送裝置中的應(yīng)用能減少裝置作業(yè)期間的壓力損失，工況1改善效果明顯。為了深入驗(yàn)證砂丘模型的節(jié)能作用，對(duì)管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的物料粒子輸送速度進(jìn)行測量。設(shè)定13 m/s作為PIV測量空氣速度，該數(shù)值低于無砂丘模型應(yīng)用工況條件下粒子輸送最小速度。從測量結(jié)果可知，當(dāng)PIV測量速度繼續(xù)減小時(shí)，處于無砂丘模型應(yīng)用工況下的粒子會(huì)出現(xiàn)大量堆積，加大了PIV測量難度。

3.2 氣力輸送期間粒子速度分布

假設(shè)粒子當(dāng)前所處位置與入口處的距離為x，水平管x：d代表無量綱，測量沿著管道水平方向的粒子運(yùn)動(dòng)平均速度，即相對(duì)入口處的平均速度。測量結(jié)果如表2所示。

從表2可知，無砂丘模型應(yīng)用工況下的粒子相對(duì)平均速度明顯低于應(yīng)用砂丘模型3種工況下的粒子相對(duì)平均速度，并且工況2條件下的粒子相對(duì)平均速度更大一些。另外，粒子從位置A輸送到位置B時(shí)，速度明顯增加，但從位置B到位置C的運(yùn)動(dòng)，速度幾乎保持不變。因此，位置A到位置B之間判定為粒子作業(yè)加速區(qū)，位置B到位置C之間判定為粒子作業(yè)勻速區(qū)。相比之下，粒子在加速區(qū)的運(yùn)動(dòng)更加活躍，并且位置B處粒子作業(yè)速度決定了下游粒子輸送流態(tài)。

關(guān)于不同軸向位置粒子平均速度分布的探究，設(shè)定y為粒子與管底距離，管底處y=0，x：d代表無量綱。粒子以加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸送，首次經(jīng)過0.3 m輸送到位置A時(shí)，不同工況條件下的粒子相對(duì)平均速度測量結(jié)果如表3所示。

由表3可知：工況1和工況2的粒子相對(duì)平均速度更大一些;與對(duì)照組相比，安裝砂丘模型條件下，粒子在砂丘曲面發(fā)生懸浮，對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)速度的增加幫助較大。另外，當(dāng)粒子輸送到位置B時(shí)，測得的粒子速度變化規(guī)律與位置A的變化規(guī)律相似，結(jié)論相同。

由表4結(jié)果可知，管頂附近，工況1應(yīng)用條件下的粒子速度脈動(dòng)強(qiáng)度高于無砂丘模型應(yīng)用條件下的粒子速度脈動(dòng)強(qiáng)度。

綜合分析，砂丘模型的添加對(duì)水平管正壓氣力輸送系統(tǒng)的高效作業(yè)幫助較大，最佳應(yīng)用方案為工況1。

4 結(jié)語

通過對(duì)氣力輸送粒子運(yùn)動(dòng)特性展開試驗(yàn)分析，選擇砂丘模型作為氣力輸送粒子運(yùn)動(dòng)特性改善工具，通過設(shè)定不同工況，確定最佳模型應(yīng)用方案。試驗(yàn)結(jié)果顯示：壓力損失、粒子速度性能的對(duì)比中，工況1優(yōu)勢較大;粒子速度脈動(dòng)強(qiáng)度性能對(duì)比中，工況1和工況2優(yōu)勢較大。綜合對(duì)比下，建議選擇工況1作為管道正壓氣力輸送裝置作業(yè)工況。

參考文獻(xiàn)：

[1]李亦然，張興剛，程甜甜，等.SCS模型在魯中南低山丘陵區(qū)徑流估算中的優(yōu)化及應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].中國水土保持科學(xué)，2019（2）：112-120.

[2]王翔，逄燕，申峰，等.微通道中液滴和粒子的運(yùn)動(dòng)特性研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2020（2）：25-38.

[3]陳然，張大波，卓浩廉，等.提升管中煙絲運(yùn)動(dòng)速度的定量檢測及其運(yùn)動(dòng)特性分析[J].煙草科技，2021（8）：71-79.

[4]廖俊，袁俊杰，蔣祎，等.高空零壓氣球上升過程的運(yùn)動(dòng)特性研究[J].航天返回與遙感，2019（1）：11-19.

[5]武云文，劉思思，謝玉瑩，等.超音速火焰噴涂過程中粒子運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].材料科學(xué)與工藝，2021（5）：1-8.