邢 婷，张 妍，王晓宁

（辽宁石油化工大学，石油化工学院，辽宁 抚顺11300）

气固两相流在水平管道中的数值模拟

邢 婷，张 妍，王晓宁

（辽宁石油化工大学，石油化工学院，辽宁 抚顺11300）

在水平T型分支管道中，利用压缩空气作为输送介质，平均粒径为0.9 mm的小米为输送对象，进行气力输送实验。在实验基础上，利用Fluent软件就三维水平圆柱管中气力输送过程进行了数值分析。对某一流速和压力下管道内部轴向压强、径向速度和单相浓度进行了模拟与监测，幵将模拟结果与实验结果对比，发现模拟结果与实验结果趋势基本相同，相对误差较小，有较好的一致性。

气力输送；Fluent数值分析；压强分布；速度分布；浓度分布

气力输送是指在收集了具有一定压力和速度的空气或其他气体的情况下，利用此气体对干燥的散状固体颗粒或粉料在管道内输送的技术。管道内粉料移动所需要的能量由输送管两端的压差来提供。管道气力输送因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小、管网布置灵活等优点[1]，已成为普遍适用的固相物料输送方法，幵在化工、冶金、矿上开采等行业中发挥着不可替代的作用。本文利用Fluent软件对实验和理论分析气固两相流进行了可视化结果的补充。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂流场内各个位置上的基本物理量[2]（如速度、压力、浓度等）的分布。为更全面的分析管道气力输送提供了依据。

1 实验概况

1.1 实验设备

图1为实验装置的简图，图中输送系统由以下几部分组成: 供气系统、发料与收料系统、输送管路系统以及数据测量与采集系统。主要装置有：空气压缩机，转子流量计，精密压力计，过滤器，发料仓，收料仓，压差计，主管路以及A,B分支管路，流量控制阀。实验装置中，分支管路部分为从T型分支接头出口处，到收料仓,底部，总长度为3 m，分支管路的材料选取直径为Φ32 mm的无缝钢管和等径的透明有机胶管。两个分支管路上均装有球阀，可以利用球阀对两只分支管路进行开度的调节。

图1 水平T型分支管道实验图Fig.1 The experiment figure of level T branch pipe

1.2 实验过程

采用密度为920 kg/m3的小米作为试验物料，干燥洁净的空气作为输送动力。所使用物料颗粒的平均直径为0.9 mm，颗粒在经过标准筛筛分后,再称出

一定质量，灌入发料仓内。根据拟定的试验方案，准备好试验系统后进行试验。首先启动空气压缩机，待气压达到实验所需压力时，调整阀门使空气流量计达到要求数值，尽可能使物料在整个管道系统中均匀分布。试验过程中，借助U型压差计记录单位管道压降，观察各个管段的运动状态，防治管道堵塞。系统输送一段时间后，关闭阀门，称量收料罐里面的小米质量然后回收物料。

2 应用Fluent软件求解

2.1 软件介绍

近几年来，对Fluent数值模拟研究有了很大的进展[3]，它是对实验和理论解法的一种补充。利用此计算方法，可以不受物理模型和实验模型的限制，具有较好的灵活性。

2.2 应用步骤

（1）首先利用Gambit基于实验管道建立水平T型管的三维几何模型[4]，幵对几何模型进行网格划分，确定边界条件。

（2）将前处理器 Gambit中的几何模型导入Fluent中，确定气固两相流的密度、黏度等物性参数，幵设置各种情况的初始条件；

（3）可以通过数值模拟，监测管道内部沿程的压力和速度变化，及横截面处的压强和速度分布[5]，对输送设备的设计和放大试验都有一定的参考价值。

2.3 计算结果

2.3.1 气力输送过程中，管道中心处轴向两相流的压强分布

图2 A与B 分支管道的轴向压强分布Fig.2 The axial pressure distribution of branch pipes A and B

图2表示的是空气输送流量为40 m3/h压力为0.22 MPa时，A、B两分支管道的轴向压强分布，图中两曲线表示A、B 管道轴心线。横坐标表示管道轴向长度，纵坐标分别表示管道内的静压和流速。可以看出，气固两相流在T型分支管道中压强一直在下降，且两条曲线接近直线，斜率基本不变，说明压力损失也基本不变。在A、B管道中，压力变化幵不同步，A管压力起初下降较快，经过管道2.5 m处后，两只管道压力下降趋于同步。

2.3.2 两分支管道中两相流的径向速度分布

图3为空气流量为40 m3/h,压力为0.22 MPa时，两分支管道的径向速度分布line5,line6,line7表示A管轴向y=1、2、3 m处的分布曲线,line8,line9,line10表示B管的；从图中可观察出A、B两分支管道在相同轴向位置处的径向速度分布情况，A管的轴心速度在此轴向位置处明显低于B管的。幵且A管的速度下降梯度小于B管的。

图3 两分支管道的径向速度分布Fig.3 The radial velocity distribution of two branch pipes

2.3.3 气相和固相的浓度分布

由于在气力输送过程中对气固两相的浓度测量非常困难，所以在实验中我们不进行两相浓度的测量。这里通过数值模拟的方法来观察管道内部的两相浓度分布情况。由于A、B管道相同轴向位置处径向浓度分布相似，所以只研究了A支管的径向浓度分布。

（1）气相径向浓度分布

图4 气相径向浓度分布Fig.4 Radial concentration distribution of gas phase

图4是模拟气相速度为 40 m3/h、压力为0.22 MPa时的水平气力输送实验，横坐标表示的范围是径向z=-0.1 m到0.1 m，管道底部到顶部分布，3

条曲线 line6,line7,line8分别代表轴向距离分别为y=2、2.3、2.5 m处的气相浓度沿径向的分布。从图中可以看出，在管道不同位置的横截面处，气相浓度都呈现出从管道上部到下部逐渐降低的趋势，浓度梯度在垂直方向上很大。这是由于固相的存在影响了气相的浓度分布。小米颗粒在此输送速度和压力下，基本上都聚集在管道下半部，对气相的浓度影响很大，因此在管道中上部气相浓度高于下部分。随着轴向距离的增加，气相的浓度梯度在逐渐减小。随着距离的增加浓度分布趋于均匀。

（2）固相径向浓度分布

图5是模拟气相速度为40 m3/h、压力为0.22 MPa的水平气力输送实验，横坐标表示的是径向z=-0.1到 0.1，由管道底部到顶部分布，3条曲线line6,line7,line8分别代表轴向距离分别为 y=2、2.3、2.5 m处的固相浓度沿径向的分布。从图中可以看出，在管道的不同位置的横截面，固相小米颗粒浓度正好呈现出与气相浓度相反的分布情况，即从管道上部到下部逐渐增加的趋势。在输送过程中，由于两相的速度都比较低，小米颗粒几乎全部都聚集在管道下半部，使得这里的固相浓度很高。同样，随着轴向距离的增加，固相在管道中的浓度分布也趋于均匀。

图5 固相径向浓度分布Fig.5 Radial concentration distribution of solid phase

2.3.4 数值模拟结果与实验结果对比

图6是模拟空气输送流分别为40、45、50、55、60 m3/h时，将A、B管道中单位管道的点压强数据输出，计算出单位管道压降。将模拟数据与实验数据进行对比分析。可以看出模拟的结果与实验结果规律相似，但模拟值都比实验值要稍微低一些，二者相差小于20，%。说明利用Fluent数值模拟具有较高的准确性和较好的预测能力。

图6 数值模拟结果与实验结果的对比Fig.6 Comparing the results of numerical simulation with experimental results

3 结 论

本文在实验的基础上，根据三维水平管道输送的动力学模型，利用 Fluent 软件对水平管道气力输送过程进行模拟。对图中曲线经过分析得出：

（1）经过模拟可知，气固两相流在管道中的压强一直在下降，形成基本稳定的压强差。A支管道的压降大于B管，在管道尾部与B压降接近。气固两相流在T型管的气力输送中，流体在分支管道中完全进入紊流区，形成脉动流，且截面处的速度分布曲线符合紊流的抛物线型。管中心速度大，远离管中心处的速度逐渐减小。

（2）分析了单支管道中的气固相浓度分布，在水平管道的气力输送过程中，如果输送气速较低，固相多集中在管到底部，而气相多集中在管道中上部。

（3）通过将 Fluent模拟的数据与实验结果进行对比发现,模拟结果与实验结果吻合较好,说明该模型和相应算法具有较高的准确性和较好的预测能力,能够揭示颗粒气力输送水平管内的基本特性。

［1］王晓宁,胡寿根,赵 军,王法良.气固两相管道输送分支流动阻力特性的研究[J].流体机械,2006,28（4）：335-358.

［2］Dantas T L P，Luna F M T，Silva I J Jr，et a1．Carbon dioxide．nitro—gen separation through pressure swingadsorption [J]．Chemical Engineefing Journal，2011，172(2-3)：698-704.

［3］王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004.

［4］Zheng X，Liu Y，Liu W．Two—Dimensional Modeling of the Tra nspo～Phenomena in the Adsorber During Pressure Swing Adsorptio nProcess[J].Industrial＆Engineering Chemistry Research,2010,49(2 2)：11814-11824.

［5］李志华,刘艳青,焦雷,等.基于优化炭黑密相气力输送系统的设计[J].流体机械，2010，38(2)：41-44．

Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow in Horizontal Pipes

XING Ting, ZHANG Yan, WANG Xiao-ning
（School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The experiment was conducted in a T-shaped pipeline，using compressed air as medium, the average size of 0.9 mm millet particle as transport objects. On the basis of the experiment, 3d Fluent software was used to carry out numerical analysis on the pneumatic conveying process in horizontal cylindrical tunnel. Internal axial pressure ,radial speed and single-phase concentration in pipeline under a certain velocity and pressure were simulated and monitored. Then simulated results and experimental results were compared. The results show that the simulation results are in general accord with the experimental results, and the relative error is less.

Pneumatic conveying; Fluent numerical analysis; Pressure distribution; Velocity distribution；Conc entration distribution

TH 232；TQ 022

A

1671-0460（2014）10-2175-03

2014-04-20

邢婷（1988-），女，吉林松原人，硕士，研究方向：化学工程领域。E-mail：xingtingok@126.com。

王晓宁（1972-），男，副教授。