砂丘模型在气力输送粒子运动特性分析中的应用

谢春娥 崔玉伟

摘 要：为了改善气力输送粒子运动性能，选择砂丘模型作为研究工具，设计该模型在管道正压气力输送装置中的不同应用工况。其中，模型角度及各项尺寸参数保持不变，以模型安装位置为变量。综合分析粒子输送压力损失、粒子速度性能、速度脉动强度性能试验结果，结果显示，将砂丘模型安装在装置中能起到较大的节能作用，建议选择工况1作为安装方案。

关键词：砂丘模型;粒子输送;PIV系统

中图分类号：TH232 文献标识码：A 文章编号：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

氣力输送作为工业生产过程中主要的物料输送模式，在建材、冶金、电力、化工等行业均有所应用[1]。由于该输送模式耗能较多，为了拓宽其应用范围，控制物料输送成本，需要对其物料输送性能进行改进。传统的输送系统通过提高空气速度来完成物料输送，但这种作业模式不仅对管道造成了严重磨损，而且利用率较低，存在部分物料破损的情况[2]。为了弥补传统输送系统存在的不足，国内外研究学者尝试提出砂丘模型。该模型虽然能够在一定程度上减少能量损失，但如何进一步改善物料颗粒输送性能成为新的难题[3]。笔者引入粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）技术，构建砂丘模型，以物料颗粒速度脉动能量作为研究突破口，尝试对颗粒运动特征进行分析，以选出砂丘模型在气力输送中应用的最佳方案。

1 砂丘模型

通过整理大量文献资料，提取文献[4]和文献[5]的设计思想，构建砂丘模型，如图1所示。

该模型的主要材料为黏土。关于角度及各项尺寸参数的设置，本研究在很多研究成果基础上进行了调整。针对参数影响分析结论，大胆提出新的模型构建方法，并设置其应用工况，探究不同工况应用条件下的物料粒子输送运动特性。其中，砂丘模型的安装位置是变量，观察不同位置安装条件下物料粒子速度分布情况，从而得出试验结论。

工况1：将砂丘模型安装在物料进口下方，物料进入输送管道时，大部分物料直接与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。

工况2：将砂丘模型安装在物料进口左下方，与进口处保持约1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，大部分物料进入管道后与其发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。

工况3：将砂丘模型安装在物料进口左上方，与进口处保持约1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，物料进入管道后少部分与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。

2 试验设计

2.1 试验装置与材料

本试验选取水平管正压气力输送系统作为试验装置。利用该装置输送物料粒子，检测粒子的运动性能。图2为管道正压气力输送装置结构。

该装置主要由压力传感器1、压力传感器2、送料管、分离器、回料管、出料阀、储料仓、流量计、风机A、回料仓及风机B组成。装置总长度为5 m，内径为80 mm。

本研究选取聚乙烯颗粒作为试验材料。该材料属于固相物料，粒径为3.3 mm，最终速度为8.6 m/s，密度为952 kg/m。装置作业期间，设置物料质量流量为0.45 kg/s，同时控制物料输送速度，上限值为16.5 m/s，下限值为10 m/s。通过检测物料粒子在装置中的运动状态，对其输送速度加以控制，使其保持在固定范围内完成输送操作。

2.2 试验方法

本次试验采用图像测速方法，对装置内粒子输送速度进行检测，并通过对比分析得出试验结论。其中，粒子图像测速选取的工具为PIV系统，利用该系统采集水平管道内部物料粒子传输期间的速度分布信息。为了提高PIV系统的图像测速性能，选取型号为Photron FASTCAM

MAX I2的高速摄像机作为图像拍摄工具。该设备快门速度高达0.1 ms，作业参数帧率设定数值为1 000。试验以2 W高强度绿光作为激光源，其连续性要求较高，设定光束厚度为5 mm，拍摄图像规格为80 mm×110 mm。利用装置采集3个位置的粒子图像信息，包括图2中A位置（距离粒子入口0.3 m）、B位置（距离粒子入口2 m）和C位置（距离粒子入口3.5 m）。

按照粒子追踪测速（Particle Tracking Velocime，PTV）原理，对物料粒子作业状况加以检测，所有检测采集的数据均发送至控制中心计算机中，并运行Sigmascan Pro5软件分析数据。目前，PIV技术已经被应用于较多试验。与粒子追踪测速（PTV）方法相比，PIV技术对粒子的测速精度较高，两种技术应用结果误差为1.18%。所以，本试验采用PIV方法检测物料粒子的运动速度。

3 试验结果分析

3.1 气力输送期间压力损失分析

试验中，分别在物料输送入口和出料口安装压力传感器，以计算物料粒子输送期间损失的压力。为了检验砂丘模型在装置中的应用功效，设置对照组，即未安装砂丘模型条件下的物料粒子输送。试验组则为本试验设置的3种工况，将砂丘模型安装在不同位置，观察其对物料粒子输送压力的影响。与此同时，利用孔板流量计测量气流速度。按照设定的试验方法和测量方法，对不同工况条件下的物料粒子传输压力损失进行测试，结果如表1所示。

测试结果显示，12.0 m/s空气速度是砂丘模型应用效果影响的分界点。当空气速度高于此分界点时，无砂丘工况下的物料粒子传输产生的压力损失更小，工况2和工况3的压力损失偏大，工况1的压力损失偏小，但是高于无砂丘工况条件下的压力损失。当空气速度低于分界点时，工况1的压力损失明显低于无砂丘工况条件下的压力损失。之所以会出现这种情况，是因为物料粒子从入口进入管道时，粒子受气动影响。从砂丘上行弯曲面流过时，大量粒子悬浮，减少了粒子堆积量，也会减少粒子输送期间造成的碰撞及摩擦，有利于物料粒子加速传输。在此期间，安装砂丘模型占据了管道一定的空间，导致管道截面面积减小，所以当空气流量固定时，粒子气流速度有所增加。

从整体来看，砂丘模型在气力输送装置中的应用能减少装置作业期间的压力损失，工况1改善效果明显。为了深入验证砂丘模型的节能作用，对管道内部结构中的物料粒子输送速度进行测量。设定13 m/s作为PIV测量空气速度，该数值低于无砂丘模型应用工况条件下粒子输送最小速度。从测量结果可知，当PIV测量速度继续减小时，处于无砂丘模型应用工况下的粒子会出现大量堆积，加大了PIV测量难度。

3.2 气力输送期间粒子速度分布

假设粒子当前所处位置与入口处的距离为x，水平管x：d代表无量纲，测量沿着管道水平方向的粒子运动平均速度，即相对入口处的平均速度。测量结果如表2所示。

从表2可知，无砂丘模型应用工况下的粒子相對平均速度明显低于应用砂丘模型3种工况下的粒子相对平均速度，并且工况2条件下的粒子相对平均速度更大一些。另外，粒子从位置A输送到位置B时，速度明显增加，但从位置B到位置C的运动，速度几乎保持不变。因此，位置A到位置B之间判定为粒子作业加速区，位置B到位置C之间判定为粒子作业匀速区。相比之下，粒子在加速区的运动更加活跃，并且位置B处粒子作业速度决定了下游粒子输送流态。

关于不同轴向位置粒子平均速度分布的探究，设定y为粒子与管底距离，管底处y=0，x：d代表无量纲。粒子以加速运动状态输送，首次经过0.3 m输送到位置A时，不同工况条件下的粒子相对平均速度测量结果如表3所示。

由表3可知：工况1和工况2的粒子相对平均速度更大一些;与对照组相比，安装砂丘模型条件下，粒子在砂丘曲面发生悬浮，对粒子运动速度的增加帮助较大。另外，当粒子输送到位置B时，测得的粒子速度变化规律与位置A的变化规律相似，结论相同。

由表4结果可知，管顶附近，工况1应用条件下的粒子速度脉动强度高于无砂丘模型应用条件下的粒子速度脉动强度。

综合分析，砂丘模型的添加对水平管正压气力输送系统的高效作业帮助较大，最佳应用方案为工况1。

4 结语

通过对气力输送粒子运动特性展开试验分析，选择砂丘模型作为气力输送粒子运动特性改善工具，通过设定不同工况，确定最佳模型应用方案。试验结果显示：压力损失、粒子速度性能的对比中，工况1优势较大;粒子速度脉动强度性能对比中，工况1和工况2优势较大。综合对比下，建议选择工况1作为管道正压气力输送装置作业工况。

参考文献：

[1]李亦然，张兴刚，程甜甜，等.SCS模型在鲁中南低山丘陵区径流估算中的优化及应用评价[J].中国水土保持科学，2019（2）：112-120.

[2]王翔，逄燕，申峰，等.微通道中液滴和粒子的运动特性研究[J].实验流体力学，2020（2）：25-38.

[3]陈然，张大波，卓浩廉，等.提升管中烟丝运动速度的定量检测及其运动特性分析[J].烟草科技，2021（8）：71-79.

[4]廖俊，袁俊杰，蒋祎，等.高空零压气球上升过程的运动特性研究[J].航天返回与遥感，2019（1）：11-19.

[5]武云文，刘思思，谢玉莹，等.超音速火焰喷涂过程中粒子运动特性的数值模拟[J].材料科学与工艺，2021（5）：1-8.