绿色煤炭物流衔接煤炭开采、加工、储运、利用及回收各个领域,是构建集约、安全、高效、绿色现代煤炭工业体系的枢纽。解决煤炭运输中的环境污染问题,实现煤炭与环境无交互作用的封闭运输是实现煤炭绿色物流的关键所在。煤炭气力输送是实现短距离煤炭绿色物流的有效途径,具有占地少、环保清洁、易于自动化等显著优势。为此,本论文以煤炭颗粒为对象,结合气固两相耦合理论、计算流体力学与离散元耦合数值模拟方法(CFD-DEM)和颗粒旋流输送试验,以实现煤炭颗粒气力输送为目标,对煤炭颗粒在旋流场中的输送理论、运动学和动力学行为以及旋流气力输送系统性能展开研究,为煤炭颗粒气力输送工业应用提供理论和试验依据,拓宽气力输送技术应用领域。在量化描述煤炭颗粒尺寸和形貌特征的基础上,研究真实形貌煤炭颗粒旋流气力输送机理。通过三维扫描获得煤炭颗粒几何模型并统计煤炭颗粒形貌特征,基于此推导出煤炭颗粒在流场中的运动微分方程、颗粒碰撞运动方程及接触动力学方程,构建旋流气力输送中煤炭颗粒群的运动方程及输送气流的质量守恒和动量守恒控制方程,为研究煤炭颗粒旋流气力输送过程提供理论支撑。基于现有起旋技术及理论,研发适用于煤炭颗粒气力输送的旋流起旋及继旋装置。利用CFD-DEM耦合数值模拟方法,从流场速度、旋流强度、颗粒运动及输送能量效率等多个方面对比研究三种螺旋壁面式起旋装置性能。研究表明:旋流场内轴向速度峰值区域形状随流场流动呈准周期性旋转,有益于扰动颗粒运动,旋流场内颗粒呈现明显的螺旋运动,并保持较长距离的悬浮运动状态。输送初始阶段,较强的旋流强度有助于提高能量利用效率,但到稳定输送阶段,适中的旋流强度更有利于输送。三种起旋装置中,导流叶片式起旋装置引导的旋流强度适中,更适合于煤炭颗粒输送。以数值研究结果为基础,设计侧向补气导流叶片式起旋装置,并进行流场速度分布测量试验,以无量纲测量距离、雷诺数、切向流量比为变量拟合得到旋流强度演变模型。设计并研制煤炭颗粒输送状态测试试验台,研究不同粒度煤炭颗粒的临界输送气流速度,以及旋流强度对煤炭颗粒临界输送气流速度的影响。分析气力输送系统常用临界气流速度定义及其物理含义,确定拾取速度作为煤炭颗粒旋流气力输送系统临界输送速度并估算其大致范围,然后进行不同流场的煤炭颗粒拾取试验。研究表明:影响煤炭颗粒初始翻滚拾取的因素有流场气流曳引扰动、其他颗粒冲击扰动以及支撑边界失稳扰动。轴流场内易出现局部逐层剥离拾取,迎风下游区域煤炭颗粒团易于优先拾取,旋流场内易出现颗粒自迎风端部逐步卷起并实现整体推移拾取输送。煤炭颗粒的拾取速度随旋流强度增强呈现先增大后减小趋势。基于Kalman拾取速度模型,以无量纲颗粒粒径和旋流强度为变量,得到5-15 mm煤炭颗粒的拾取速度预测模型。重构煤炭颗粒离散元模型,数值研究煤炭颗粒与管壁互作用过程中的煤炭颗粒尺度损伤和管壁磨损规律。分别基于颗粒粘结法和颗粒重叠法研究上述两行为,从煤炭颗粒形状和流场结构两方面研究并揭示旋流场中煤炭颗粒破碎和管壁磨损规律。研究表明:煤炭颗粒与管壁的碰撞现象与煤炭颗粒的机械能波动一一对应,而煤炭颗粒的破碎程度与碰撞前后机械能变化的能量差正相关。煤炭颗粒通过弯头时,颗粒完整率随颗粒球形度增大而增大,两者关系符合二次多项式指数方程。旋流输送时煤炭颗粒完整率显著高于轴流工况。弯头转向对弯头管壁磨损有显著影响,磨损严重位置主要集中于外侧管壁的中部区域。随着颗粒球形度增大,弯头管壁平均磨损率均呈现倾斜“S”状变化,旋流输送时弯头管壁磨损率较轴流场有显著降低。在分析输送性能指标基础上,进行煤炭颗粒旋流气力输送性能试验,从输送能效和输送平稳性两方面研究旋流强度对输送性能的影响。以静压值、静压损失为指标从能量储备和测点间的储备能量消耗两个方面研究旋流强度对煤炭颗粒输送能效的影响,以静压波动标准差为指标研究旋流强度对煤炭颗粒输送平稳性的影响。研究表明:当切向流量比为0.2且输送气流速度低于40 m/s时,旋流场内的静压值高于相同平均气流速度的轴流工况,有利于气流压力势能缓释和煤炭颗粒输送。绝对静压损失随着平均气流速度增大近似呈现线性增长,随着切向流量比的增大,其增长斜率呈增大趋势。相对静压损失均随着平均气流速度增大呈减小趋势,但切向流量比较大时,由平均气流速度增大导致的相对静压损失降低较缓慢。影响输送平稳性的因素主要有料仓储料量变化扰动、气源扰动、旋转给料器扰动以及噪声扰动,上述四种扰动因素在本文研究范围对应的频率区间分别为小于0.1 Hz、0.1-1 Hz、1-10 Hz和10 Hz以上,其中气源扰动和旋转给料器扰动作用最为显著。低气流速度中等旋流强度和高气流速度弱旋流强度工况时,旋流场输送平稳性优势显著。在输送管道前端,旋流工况输送平稳性更好,而在输送管道末端轴流场工况输送更平稳。