1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 177 切向射流对垂直管旋流载料输送的影响特性切向射流对垂直管旋流载料输送的影响特性 丁金水1，陈祝阳2，殷 杰3，晏 飞2（1江苏省高淳中等专业学校，南京 211300；2江苏科技大学 机械工程学院，江苏镇江 212003；3苏州六六视觉科技股份有限公司，江苏苏州 215000）摘 要：摘 要：为了提高非球形颗粒垂直液压输送系统的效率和安全性，采用一种新型带切向射流入口的管道输送系统。基于计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合方法，采用改进的非球形曳力系数模型对液
2、固两相流动特性进行分析。研究不同切向流动比例对不同形状颗粒浓度和曳力的影响。根据颗粒的浓度来衡量输送效率，依据颗粒的曳力来评估输送安全性。结果表明：在旋流作用下，不同形状颗粒之间的浓度间隙和轴向阻力间隙减小，颗粒浓度增大，各组分颗粒混合输送均匀。关键词：关键词：液固两相流；非球形颗粒；曳力系数模型；旋流 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.24 Effect Characteristics of Tangential Jet Inlet on Vertical Swirl Carrier Transpo
3、rt DING Jinshui 1,CHEN Zhuyang2,YIN Jie3,YAN Fei2(1.Jiangsu Gaochun Secondary Vocational School,Nanjing 211300,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China;3.Suzhou Liuliu Vision Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215000,Jiangsu,China)A
4、bstract:In order to improve the efficiency and safety of vertical hydraulic conveying system for non-spherical particles,a new pipe conveying system with tangential jet inlet is adopted.Based on the coupled computational fluid mechanics and discrete element method,an improved non-spherical drag coef
5、ficient model is used to analyze the liquid-solid two-phase flow characteristics.The effect of tangential flow ratio on the concentration and drag force of particles with different shapes is studied.The transport efficiency is measured according to the concentration of particles and the transport sa
6、fety is evaluated according to the drag force of particles.The results show that the concentration gap and axial resistance gap between particles of different shapes decrease.The particle concentration increases,and the mixing and transportation of each component particles are uniform.Key words:liqu
7、id-solid two-phase flow;non-spherical particles;drag coefficient model;swirling flow 0 引言引言 管道水力输送是一种以液体（通常为水）作为载体，通过管道输送固体物料的运输方式，其运输量大、占地少、安全可靠、可合理配置等优点使得该技术在工业领域得到广泛运用1。目前，众多学者对管道固体颗粒水力输送问题进行了试验研究，陈光国等2进行了5 mm50 mm的单颗粒、均匀颗粒和非均匀颗粒群体等3种沉降试验，分析了浓度、级配、粒径和边界条件等因素对颗粒及颗粒群沉降速度的影响，得到了提升参数合理取值以设计出安全、高效的垂直管
8、道输送系统。在目前对液固两相流特性的研究中，对水平管道和细颗粒的研究较多，而对垂直管道和粗颗粒的研究则较少。粗颗粒在管道中的运动状态比细颗粒的运动状态更复杂，在垂直管道中会面临新的问题。因此，研究垂直管道中粗颗粒输送的固液两相流特性具有重要意义。收稿日期：2022-03-30；修回日期：2022-05-13 基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20191459）作者简介：丁金水（1966），男，硕士、正高级讲师。研究方向：机电一体化技术及液压传动。通信作者：晏 飞（1980），男，博士、副教授。研究方向：气固两相流流动机理及流体可视化技术。海洋工程 178 目前，粗颗粒的输送在工业输送领域越
9、来越普遍，而传统轴流输送的应用和研究主要适用于细颗粒的输送。为了解决这一困境，许多学者研究了流动结构的优化。孙西欢3结合理论分析和试验研究法，分析探讨了液相流动、旋流发生及颗粒悬浮等属性和特质，掌握了起旋叶片参数对拟序旋流结构产生的影响原理、产生起旋器旋流的效率、旋流场中颗粒内流动迹线和衰减旋流的规律。YIN等4在耦合计算CFD-DEM法中仿真分析了扬矿管内球形状的颗粒提升环节，通过分析证明在提升旋流输送浓度的环节中，可以确保颗粒有更加合理的空间分布，也就是旋流提升了输送安全性以及效率。然而，目前的流动结构改进大多基于水平管，而对垂直管的研究较少，因此对垂直管的流动结构进行优化显得尤为重要。同
10、时，上述研究对颗粒形状考虑较少，由于粗的非球形颗粒对管道内流动结构的变化极为敏感，因此，颗粒形状需要进行讨论。目前，非球形颗粒的研究包括阻力系数模型修正和颗粒离散单元建模2个部分，形成非球形颗粒的常用方法是球形单元填充法。ZHONG等5采用球形单元填充法生成圆柱形颗粒，并选择TRAN-CONG等6提出的阻力系数模型对圆柱形颗粒流化床进行研究，结果与试验数据一致。目前研究中考虑的颗粒形状比较简单，多组分颗粒混合流动的研究较少。为了进一步将垂向水力运输的数值计算推向实际结果，对各种形式的颗粒进行建模，并基于CFD-DEM采用合适的非球形阻力系数公式研究多组分颗粒的混合输运具有重要意义。本文提出一种
11、基于阿基米德螺线的三切向进气道管道输送系统，通过切向射流与主流交汇改变流场拟序结构，解决管道初始段颗粒输送浓度低、起动速度低及易堵塞等问题。采用CFD-DEM方法进行耦合计算，并对目前商业软件内置的阻力模型进行修改，以保证非球形颗粒的计算精度。在不同流体切向比和不同颗粒形状工况下，对液固两相流的颗粒运动状态和颗粒曳力进行分析。1 试验工况试验工况 试验中，管道分为2种：1）带切向射流口直管；2）直管。第1种是弯曲的圆管，与主管道运用阿基米德螺线相交和延长，进而降低流场干扰和入射损失。图1(a)为带切向进气口的管道结构图，图1(b)为切向进气口平面分布图，图中D代表管道的直径。根据切向流量的比例
12、，将不同的工况简称为STP、TP30、TP20和TP10，分布的流速见表1。STP为直管，TP30、TP20和TP10为旋流管。图2是输送旋流管环节的示意图，共划分了切向射流区、入口区和下游区域等3个不同的计算区域。图1 有射流切向入口的管道平面示意图 表1 管道简称与切向入流占比 工况 切向入流 速度/(m/s)主流 速度/(m/s)简称切向流量 10%占比2.5 2.7 TP10切向流量 20%占比5.0 2.4 TP20切向流量 30%占比7.5 2.1 TP30没有切向射流 0 3.0 STP 图2 输送旋流管环节的示意图 为了分析流场中非球形颗粒的流动现状，除去球形颗粒之外，通常使用
13、球形单元弥补法构造椭球、圆柱体和四面体形状，各形状颗粒的体积相同，等效球形直径deq也相同。在保证颗粒接近运输矿石的实际形状基础上，考虑到计算量的合理性，对构造的颗粒进行规则几何修正。由此，对于规则几何形状而言，球形度有更大的形状。不同颗粒的参数见表2。表2 颗粒参数 颗粒形状模型 DEM 填充球元数 等效球形 直径deq/mm 球形度 椭球体 5 20 0.980 6球体 1 20 1.000 0正四面体10 20 0.976 5圆柱体 5 20 0.912 3(a)管道之中的空间结构(b)进口切向平面示意分布图 丁金水等，切向射流对垂直管旋流载料输送的影响特性 179 CFD-DEM耦合过
14、程是一个瞬态双向数据传递的过程。首先，采用Fluent计算一个时间步的流场信息；然后利用EDEM进行相同时间的迭代，并通过耦合接口将颗粒的位置、运动和体积等信息传递至Fluent中，计算颗粒与流体的相互作用；随后，流体对颗粒的作用通过接口传递至EDEM，作为颗粒体积力影响颗粒的运动，在EDEM计算后，将相间作用力和体积分数以动量源相的方式返回至CFD计算中。随后新一轮的计算开始，逐步循环迭代，实现全过程的瞬态模拟。在CFD-DEM耦合计算中，选择Eulerian-Lagrangian模型进行耦合控制，曳力模型选择Di Felice模型，曳力系数公式修改为Hlzer和Sommerfeld提出的非
15、球形公式，同时在计算时考虑Saffman升力和Magnus升力。本文中所选择的仿真参数见表3。表3 仿真参数 相 分类 属性 参数 数值 CFD 材料 水 密度/(kg/m3)1 025 黏度/kg/(m/s)1.003103 边界条件 压力出口 压力/Pa 0 壁面 壁面状态 近壁面 剪切条件 No slip DEM 材料 颗粒 泊松比 0.25 剪切模量/Pa 1108 密度/(kg/m3)2 040 壁面 泊松比 0.3 剪切模量/Pa 71010 密度/(kg/m3)7 800 接触 颗粒-颗粒 碰撞恢复系数 0.525 静摩擦系数 0.642 滚动摩擦系数 0.05 接触模型 赫兹梅
16、德林无滑移接触模型 碰撞模型 软球碰撞模型 颗粒-壁面 碰撞恢复系数 0.525 静摩擦系数 0.4 滚动摩擦系数 0.05 接触模型 赫兹梅德林无滑移接触模型 碰撞模型 软球碰撞模型 颗粒 颗粒工厂 颗粒半径/mm 20 颗粒工厂类型 动态的/不限制数量的 预定生成质量/(kg/s)4 2 控制公式控制公式 本文研究的流体速度通常小于声速，在运输环节中缺乏显著的热交换，由此控制液相方程只需在动量守恒和质量守恒层面界定。连续相液相流动使用Navier-Stokes方程予以控制7。fff0Ut+=（1）ffffffffw()UUUtpUgF +=-+-（2）式（1）和式（2）中：为空隙率；f为液体密度；t为时间；Uf为液体速度；p为压力；g为重力加速度；f为流体黏度；Fw为液体和固体两相间传播的动量汇。wdragMagnuSaffmansFFFF=+（3）式中：Fdrag为拖曳力；FMagnus为垂直于颗粒与流体相对速度方向的力；FSaffman为速度梯度力。采用湍流Realizable k-模型8可模拟管道中的剪切流以及内旋流的流动现状，控制模型的方程具体为 ffftff()()ikj
