风力送丝系统中S型弯管内纯空气流的阻力受管形影响研究

陈卫, 袁国安, 2



风力送丝系统中S型弯管内纯空气流的阻力受管形影响研究

陈卫*1, 袁国安1, 2

(1. 南华大学 城市建设学院, 湖南 衡阳, 421001; 2. 衡阳三力高科技开发公司, 湖南 衡阳, 421001)

为减少烟丝气力输送系统阻力损失以提高系统风力利用率, 对系统中S型弯管的流场特性与阻力特性进行了研究. 用Fluent软件模拟了纯空气通过S型弯管时管内流场特性及S型弯管内的压降, 分析了弯管夹角()、弯管曲率半径()与料管直径()之比对S型弯管流场特性及其压降的影响. 研究发现, 单位长度S型弯管的压降随弯管夹角及弯管曲率半径增大而减小, 弯管夹角()和弯管曲率半径()与料管直径()之比的最佳取值范围分别为≥ 75°和6 ≤/≤ 15.所得到的结论为优化设计S型弯管提供了参考.

S型弯管; 弯管夹角; 弯管曲率半径; 压降; 流场特性; 数值计算

现代烟草制造工业的除尘和烟丝输送系统广泛采用集中工艺风力技术, 工艺风力系统主要由喂料器、料管及其管件、卷烟机、除尘器、风机等组成[1]. 在烟丝输送过程中, 系统存在不可避免的压力损失从而造成能源浪费, 因此如何降低系统的压损一直是研究工作者的重点研究内容. 烟丝气力输送系统中的管件主要有吸料口、弯管、换向阀门(切换阀)等[2], 弯管的压力损失和磨损均比直管大. S型弯管主要用于连接不同水平位置上的料管, 使得风力系统安装更加简便灵活. 因此, 一个设计良好的S型弯管对减少局部阻力损失及提高系统性能具有很重要的工程意义. 弯管的夹角和圆弧曲率半径是影响S型弯管阻力损失的主要因素, 研究其夹角和曲率半径与压力损失的关系, 对优化S型弯管设计, 提高S型弯管流动效率具有重要的指导意义. 为此, 本文采用Fluent软件对纯空气在S型弯管中的流场特性进行模拟计算和分析, 较为深入地研究S型弯管夹角及弯管曲率半径与压力损失的关系, 为弯管设计和工程实践提供参考.

图1 S型弯管构造图

1 计算模型

1.1 物理模型

烟丝气力输送系统中采用的S型弯管主要分为“由下至上”S型弯管及“由上至下”S型弯管. 由于圆形料管关于轴线对称, 为节省资源加快计算速度, 本文取“由下至上”S型弯管中心截面为控制体积进行数值计算. 图1为S型弯管的结构简图. 料管直径= 125 mm, 弯管夹角和弯管曲率半径为可变参数.

1.2 控制方程与湍流模式

使用广泛应用的标准-方程, 选取SIMPER算法[3]进行数值计算. 本文所选用的控制方程及湍流模式[4]如下.

① 控制方程.

② 湍流模式.

1.3 边界条件

模型设置2个边界条件, 即入口速度和出口静压. 设入口速度为[5]20 m/s, 出口静压为-3 400 Pa, 并在计算过程中忽略温度和重力的影响.

图2 r/D = 8、θ = 90°时S弯内部压力场

2 计算结果和分析

某烟丝气力输送系统中S型弯管的夹角为90°, 圆弧曲率半径与料管直径比值为8. 为方便分析, 本文选用纯空气作为流动介质进行计算, 其密度= 1.225 kg/m3, 动力粘度= 1.805 × 10-5Pa∙s. 数据应用tecplot 360导出可以得到流体通过S型弯管的压力分布图(图2), 从图2可以看出流体刚进入S型弯管时压力突然下降, 存在局部能量损失, 其大小由S型弯管管形即夹角和弯管曲率半径决定. 另外, 从图2还可以知道在2个圆弧内侧的压力比圆弧外侧压力低. 由于惯性作用,气流冲击外侧壁面, 因此, S型弯管常常在外侧中央部分容易被磨穿.

2.1 S弯压降与θ角之间的关系

对材料及外形相同的料管, 保持S型弯管曲率半径与料管直径之比/= 8不变, 对= 20°、30°、45°、60°、75°、80°、90°等几种情况分别进行数值计算. 图3显示了流体通过S型弯管压力损失与夹角的关系.

从图3可以看出,单位长度S型弯管进出口压力降随着夹角的不断增加而减小, 即角度越小压力损失越大. 当＜45°时, 单位长度压力损失随角度减小急剧增高. 当≥ 45°时, 曲线变得平缓, 并且在= 75°时, 单位长度压降达到最小值. 因此, 设计S弯时最好取夹角不小于75°, 这样有利于降低S弯局部阻力损失而提高流动效率.

图3 压降与θ角之间的关系

2.2 S弯压降与r/D之间的关系

对相同管径的管道, 且保持= 90°不变时, 改变弯管曲率半径的大小, 分析S型弯管的压力降. 分别对/= 1、1.5、2、4、6、8、10、12、14几种情况进行数值计算, S型弯管压降与弯管曲率半径的关系如图4所示. 根据图4可知, 单位长度S型弯管上压降随着弯管曲率半径增大而减小. 从图4可以看出, 当/＜6时, 弯管曲率半径对S型弯管压力有显著影响, 当/≥ 6时, 弯管曲率半径对S型弯管的压降影响相对减小. 另一方面, 当/增大时, S型弯管沿程阻力损失随之增大, 因此,/过大反而不利, S型弯管曲率半径与料管直径的比值(/)的最佳取值范围为6～15.

图4 压降与r/D之间的关系

3 结论

通过数值模拟研究了烟丝气力输送系统中S型弯管局部阻力损失变化规律. 空气经过S型弯管时,由于空气分子与分子、分子与管壁之间存在摩擦和碰撞, 并且弯管走向使得空气流动变向, 从而导致空气动能不断损失并表现为静压的下降. 弯管曲率半径与直径比为8时, 单位长度S型弯管进出口压力随角度增大而减小,= 75°效果最佳, 即单位长度S型弯管压降最小. 角度一定时, 单位长度S型弯管压降随弯管曲率半径增大而减小, 当/＜6时, 弯管曲率半径对弯管压降的影响很大, 当/≥ 6时, 弯管曲率半径对弯管压降的影响逐渐减小./增大的同时也增大了S型弯管的沿程阻力损失, 故而建议设计S型弯管时/的取值范围为6～15.

[1] 董耀, 张雄. 气力输送在卷烟工业中的应用与发展[J]. 南华大学学报, 2007, 21(3): 69—73.

[2] 黄娟, 杨湘杰, 周晖, 等. 卷烟工业中气力输送装置主要部件的选用[J]. 轻工机械, 2007, 25(5): 91—93.

[3] 于勇. Fluent入门与进阶教程[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008: 23—29.

[4] 文俊, 刁明君, 李斌华, 等. 90°圆形弯管三维紊流数值模拟[J]. 四川水力发电, 2008, 27(2): 111—112.

[5] 张雄, 李国荣. 烟丝气力输送系统送丝管风速的测量[J]. 烟草科技, 2006(2): 18—21.

Study on the effect of tube-shaped on resistance of air flow inside S-elbow in tobacco pneumatic conveying system

CHEN Wei-min1, YUAN Guo-an1, 2

(1. School of Urban Construction, University of South China, Hengyang 421001, China; 2. Hengyang Sunny High-Tech R&D Company, Hengyang 421001, China)

Study on the flow property and resistance characteristic of S-elbow is beneficial to reduce pressure loss of pneumatic conveying system, and improve utilization ratio of wind power. The flow characteristic and the pressure loss of S-elbow with different elbow angel and curvature radius are simulated by the fluent. The simulation results show that the gradient of pressure decrease when the angle increased and the optimum angle is 75 degree, and the unit length pressure drop of S-elbow decrease with radius increasing, the ratio between the radius of bend and the diameter of pipe should be ranged from 6 to 15. The simulation results provided reference for the design and engineering application of S-elbow in tobacco pneumatic system.

S-elbow; elbow angle; arc radius; pressure drop; flow field characteristic; numerical calculation

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.021

TS 432

1672-6146(2013)04-0090-03

email: 945545252@qq.com.

2013-10-16

(责任编校: 江 河)