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砂丘模型在氣力輸送粒子運動特性分析中的應(yīng)用
謝春娥 崔玉偉 2022/5/27 7:35:13
（南京艾爾康威物料輸送系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211113）
摘要：為了改善氣力輸送粒子運動性能，選擇砂丘模型作為研究工具，設(shè)計該模型在管道正壓氣力輸送裝置中的不同應(yīng)用工況。其中，模型角度及各項尺寸參數(shù)保持不變，以模型安裝位置為變量。綜合分析粒子輸送壓力損失、粒子速度性能、速度脈動強度性能實驗測試結(jié)果，砂丘模型在裝置中的安裝起到了很大的節(jié)能作用，建議選擇工況1作為安裝方案。
關(guān)鍵詞：砂丘模型；粒子輸送；PIV系統(tǒng)
氣力輸送作為工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要物料輸送模式，在建材、冶金、電力、化工等行業(yè)均有所應(yīng)用[1]。由于該輸送模式耗能較多，想要拓寬其應(yīng)用范圍，控制物料輸送成本，需要對其物料輸送性能進行改進。傳統(tǒng)的輸送系統(tǒng)通過提高空氣速度來完成物料輸送操作，然而這種作業(yè)模式不僅對管道造成了嚴重磨損，而且能力利用率也比較低，存在部分物料破損情況[2]。為了彌補傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)存在的不足，國內(nèi)外研究學(xué)者嘗試提出砂丘模型。該模型雖然能夠在一定程度減少能量損失，但是如何進一步改善物料顆粒輸送性能成為了難題[3]。本文引入PIV技術(shù)，構(gòu)建砂丘模型，以物料顆粒速度脈動能量作為研究突破口，嘗試對顆粒運動特征進行分析，以選擇砂丘模型在氣力輸送中應(yīng)用的最佳方案。
1 砂丘模型
通過整理大量文獻資料，提取文獻【4】和文獻【5】的設(shè)計思想，構(gòu)建砂丘模型，如圖1所示。
（a）砂丘角度及各項尺寸參數(shù) （b）砂丘粒子入口及流向
圖1 砂丘模型
該模型的主要材料為黏土，關(guān)于角度及各項尺寸參數(shù)的設(shè)置，本研究在很多研究成果基礎(chǔ)上進行了調(diào)整，針對參數(shù)影響分析結(jié)論，大膽提出新的模型構(gòu)建方法，并對其應(yīng)用工況進行設(shè)置，探究不同工況應(yīng)用條件下的物料粒子輸送運動特性。其中，砂丘模型的安裝位置是變量，觀察不同位置安裝條件下物料粒子速度分布情況，從中得出實驗結(jié)論。
工況1：將砂丘模型安裝在物料進口下方，物料進入輸送管道時，大部分物料直接與砂丘模型發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運動方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動方向。
工況2：將砂丘模型安裝在物料進口左下方，與進口處保持約為1個模型長度的距離，物料進入輸送管道時，不會直接與砂丘模型發(fā)生撞擊，大部分物料進入管道后與其發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運動方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動方向。
工況3：將砂丘模型安裝物料進口左上方，與進口處保持約為1個模型長度的距離，物料進入輸送管道時，不會直接與砂丘模型發(fā)生撞擊，物料進入管道后少部分與砂丘模型發(fā)生撞擊。關(guān)于物料運動方向的把控，沿著從右向左的方向控制物料粒子流動方向。
2 實驗設(shè)計
2.1 實驗裝置與材料
本實驗選取水平管正壓氣力輸送系統(tǒng)作為實驗裝置，利用該裝置輸送物料粒子，同時檢測粒子運動性能。如圖1所示為裝置結(jié)構(gòu)。
圖2 管道正壓氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)
該裝置主要由壓力傳感器1、壓力傳感器2、送料管、分離器、回料管、出料閥、儲料倉、流量計、風(fēng)機A、回料倉、風(fēng)機B組成。裝置總長度為5m，內(nèi)徑80mm。
本次實驗選取聚乙烯顆粒作為實驗材料，該材料屬于固相物料，粒徑3.3mm，最終速度8.6m/s，密度952kg/m3。裝置作業(yè)期間，設(shè)置物料質(zhì)量流量0.45kg/s，同時控制物料輸送速度，上限值為16.5m/s，下限值為10m/s。通過檢測物料粒子在裝置中的運動狀態(tài)信息，對其輸送速度加以控制，使其得以保持在固定范圍內(nèi)完成輸送操作。
2.2 實驗方法
本次實驗采用圖像測速方法，對裝置內(nèi)粒子輸送速度加以檢測，通過對比分析，從中得出一些實驗結(jié)論。其中，粒子圖像測速選取的工具為PIV系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集水平管道內(nèi)部物料粒子傳輸期間的速度分布信息。為了提高PIV系統(tǒng)圖像測速性能，選取型號為Photron FASTCAMMAX I2高速攝像機作為圖像拍攝工具，該設(shè)備快門速度高達0.1ms，作業(yè)參數(shù)幀率設(shè)定數(shù)值為1000。實驗環(huán)境中，以2W高強度綠光作為激光源，并且對其連續(xù)性要求較高，設(shè)定光束厚度5mm，拍攝圖像規(guī)格80mm×110mm。利用裝置采集3個位置粒子圖像信息，圖1中A位置（距離粒子入口0.3m），B位置（距離粒子入口2m），C位置（距離粒子入口3.5m）。
按照粒子追蹤測速PTV原理，對物料粒子作業(yè)狀況加（未完，下一頁）
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