稀相气力输送中绳索(Roping)现象颗粒扩散特性的研究

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在稀相气力输送传输中,颗粒经过弯管之后,由于离心力的作用在弯管后的下游的管道中较为集中,形成相对致密的相结构,这种现象被称为绳索(Roping)现象。虽然国内外学者对绳索现象进行过一定的研究,然而对于绳索现象的扩散机理研究仍显不足。为了研究稀相气力输送系统中颗粒经过弯管后的扩散情况,本文利用高清摄像机获得弯管后(R/D=1.3,R是弯曲半径100mm,D是管道直径75mm)不同高度的截面上颗粒(粒径分布为0-300μm,平均粒径为172.4μm,密度为2550kg/m3)空间位置分布规律并结合数值模拟CFD-DEM来分析绳索现象的扩散机理。具体内容和结论如下:搭建稀相气力输送测量平台,以石英卤素灯作为面光源,实时采集了弯管后不同截面高度的颗粒空间位置变化的动态视频,并在MATLAB平台上进行可视化处理。接着,引入无量纲颗粒质量密度来分析不同高度颗粒扩散情况,最后根据聚类分析划分截面区域并统计不同高度的无量纲颗粒质量通量的变化。实验结果表明:不同粒径的颗粒扩散速度不同,大颗粒(200-300μm)与小颗粒(0-100μm)的扩散速度要快于中等粒径(100-200μm)的颗粒;绳索现象的扩散可以分成快速扩散阶段和分布均匀阶段两个阶段,在快速扩散阶段中密相区无量纲颗粒质量通量从82%降到43%,而过渡区无量纲颗粒质量通量从10%上升到42%;在扩散均匀阶段中,三个区域无量纲颗粒质量通量相近。最后,基于Fluent-EDEM平台来探究颗粒的粒径、气体流速和弯径比对绳索扩散的影响。模拟结果表明:(1)当固体载荷比为1%-10%(稀相气力输送),弯管的弯径比为1-2时,针对Geldart A型颗粒,颗粒的粒径越大,绳索扩散的偏析高度越小,而Geldart B型和D型颗粒,绳索现象均不明显。实际上,影响绳索扩散的主要原因是颗粒的斯托克数。当颗粒的斯托克斯数在7.171以下时,绳索现象扩散明显。(2)针对Geldart A型和B型颗粒,当颗粒的斯托克数相同,弯管的弯径比为1-2时,随着弯径比的增加,绳索现象扩散的偏析高度越大。(3)当颗粒的斯托克数相同,弯管的弯径比为1-2时,针对Geldart A型颗粒,气体流速对绳索扩散影响不大;而对于Geldart B型颗粒而言,气体流速越大,绳索扩散的偏析高度越小。
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