气力输送系统流动特性CFD模拟分析

CFD数值模拟在计算流体力学项目驱动实践教学中的应用2021年教育文档CFD数值模拟在计算流体力学项目驱动实践教学中的应用计算流体力学CFD是流体力学的一个分支，是能源与动力工程类专业的重要基础课。

课程讲授CFD数值模拟的基本思想、基本方法以及常用CFD数值模拟工具的使用，通过教学使学生了解、掌握CFD数值模拟的基本知识，为将来在涉及流体流动问题的研究和设计工作中应用CFD数值模拟打下基础。

在计算流体力学教学中，可将仿真技术以项目驱动的方式加入到实践教学环节，以加深对概念、公式以及数值方法的理解，进而激发学生探索性学习能力。

如何利用好仿真软件的专业优势，将其引入到计算流体力学实践教学中来，提高教学效果是本文要探讨的主要问题。

一、CFD数值模拟在项目驱动实践教学中的优势根据课程教学任务及其特点，选择适用的教学方式是提高教学效果的关键。

传统的教学模式以教师授课为中心，注重基础理论知识的传授与讲解。

在教学过程中，教师往往花费大量的时间和精力介绍计算流体力学的基本原理并进行相关理论公式的推导，学生并不能理解计算流体力学的工程应用背景和意义，学生所接受的理论知识绝大部分来源于授课教师的灌输。

由于计算流体力学课程涉及内容的复杂性，传统的教学方法与手段，使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。

涉及基本方程和数值方法公式推导的部分，传统的板书教学方式可使学生对推导过程进行逻辑思维，对推导得到的公式和结果也会更加印象深刻。

对于比较复杂、抽象的教学内容以及公式的应用，则可借助计算机仿真平台的方式进行辅助教学，让学生直观地了解不同公式的应用过程和数值模拟结果。

由于流体力学控制方程一般是非线性的，只有极少数情况下才能得到解析解，与工程相关的复杂流体力学问题几乎不能得到解析解，而实验研究一般是在模拟条件下完成的，几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有参数和相似定理的要求。

通过CFD数值模拟技术，可以设计一些虚拟的实验，过程中可选用不同公式模型和数值方法，数值模拟所得的结果直观，弥补了理论教学内容的不足。

CFD数值模拟技术在天然气支线管道中的应用研究CFD数值模拟技术在天然气支线管道中的应用研究[摘要]本文分析了输气管道末端储气调峰的原理【1】，结合具体的工程实例，选取营口气源厂支线为研究对象，进行了工业实验测试，利用实验数据验证了基于CFD建立的数值模拟模型；最后利用已建立的模型，对在特定的长度、管径条件下，首站压力恒定，根据营口市顶峰日耗气曲线，计算门站及沿程天然气密度、压力、速度等分布情况；以及门站压力恒定，营口市日耗气量变化，计算首站及沿程天然气密度、压力、速度等分布情况。

研究了管线首站及门站在不同参数下的极限流量。

[关键词]天然气支线管道；CFD；调峰；研究中图分类号：X701.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X45-0214-01高压管道储气是利用本身需要建设的各种输气管线，在满足输气能力的同时，适当增加管径，使其具备一定的管道储气能力。

建立支线管道CFD模型，模拟支线管道内气体压力、流速、密度沿程的变化情况，为实现管道平稳运行管控一体化管理提供相应的数据支持【2】。

为了更好地研究辽宁省供气管网工程管线调峰能力，需深入分析影响管网调峰能力的各种因素。

高压天然气支线管道输送过程中，由于输送距离长、阀门少、分支少，管道的沿程阻力、压力和质量流量是主要决定因素，管道的局部阻力相对不占重要地位，可不考虑沿程阀门等影响，同时也可忽略天然气管道的倾斜率。

本工程选取营口气源厂支线进行分析，模型东侧为首站，自东向西方向到达门站，模型的建立完全按照营口市气源厂支线线路走向。

管道的管径D219.1mm，选用无缝钢管，材质为PLS2 L245N，线路总长度为10.5km，管道设计压力2.5MPa，设计输量2.17×108m3/a。

由于高压天然气支线管道传输过程是一种复杂的可压缩湍流流动，各物理参数随时间、地点呈现随机不规那么运动状态，本研究采用三维非稳态湍流模型进行模拟；另外，考虑到模型的稳定性、成熟性以及对计算机的硬件要求，本研究的模拟工作采用等温带旋流修正k-ε模型【3】。

气力输送系统流动特性的研究气力输送系统是一种利用气流将物料从一个地方输送到另一个地方的技术。

在现代化工业生产中，气力输送系统因其高效、节能、环保等优点而得到广泛应用。

然而，气力输送系统的流动特性是影响其性能和稳定性的关键因素，因此对气力输送系统流动特性的研究具有重要意义。

本文将探讨气力输送系统流动特性的研究现状、存在问题以及实验方法等内容。

气力输送系统的发展可以追溯到20世纪初，自那时以来，气力输送系统的应用范围不断扩大，涉及矿山、电力、化工、食品等多个领域。

随着技术的不断发展，气力输送系统的设计和优化已经成为一个热门研究领域。

流动特性是气力输送系统的核心问题，包括气流速度、压力损失、气固两相流等，这些特性的研究对于系统的能耗、物料输送效率、设备磨损等方面具有重要影响。

然而，目前气力输送系统流动特性的研究仍存在一些问题，如实验方法不统数据缺乏可比性等，这些问题制约了气力输送系统的进一步发展和优化。

本文采用实验研究的方法，设计了一套完整的气力输送系统实验装置，包括供风系统、物料输送管路、压力测量系统、速度测量系统等。

在实验过程中，我们通过改变气流速度、物料性质、管路结构等参数，对气力输送系统的流动特性进行全面研究。

同时，我们还采用了CFD 模拟方法，对实验结果进行验证和补充。

通过实验，我们得到了气力输送系统的流动特性数据，包括气流速度、压力损失等。

数据分析表明，气流速度和压力损失之间存在一定的关系，且这种关系受到物料性质、管路结构等因素的影响。

我们还发现气力输送系统的流动特性受到空气动力学、流体力学等多方面因素的影响。

在国内外相关研究的对比中，我们发现气力输送系统的流动特性具有一定的普遍性，但同时也存在一定的差异性。

这种差异性可能源于实验条件、测量方法等因素的差异。

因此，我们需要进一步完善实验方法和数据处理技术，以提高实验结果的可比性和可靠性。

本文通过对气力输送系统流动特性的研究，揭示了气流速度、压力损失等特性之间的关系及其影响因素。

∂
∂ε
ε
=
( αε μe
) + ( C ε1 G k - C ε2 ρ g ε)
∂x j
∂x j
k
dt
力视为 F f 。
2 理论介绍
∂
∂
( ρ ε) +
( ρ εu )
∂t g
∂x i g i
dω p
(4)
(5)
根据式(2) 和式(6) ,连续相与离散相之间通过
动量交换实现耦合:
→
- v
F f = K gs( v
离散颗粒相的受力分析和运动轨迹计算。 计算过程充分考虑颗粒体积分数对流体的影响。 通过对比不同直径的
水平管道在相同空气流量和物料流量下的颗粒流动形态和压力损失,发现颗粒在不同直径管道内表现出不同的流
动形态。 压力损失在管道直径为 320 mm 时最小,此时的管道直径正好为保持管底流动形态的最大管道直径。
1 引言
粒顺利输送。 然而在水平管道气力输送过程中,气
流方向与重力方向垂直,物料易在管底沉积。 因此
气力卸船 机 作 为 负 压 气 力 输 送 设 备, 因 其 具
要求水平管道具有比垂直管道更高的气流速度。 而
有输送系 统 封 闭、扬 尘 污 染 小、清 仓 彻 底、 构 造 简
且在同一管道输送系统中,物料往往更容易在水平
体对颗粒 的 作 用 力,包 括 曳 力、上 浮 力、 巴 塞 特 升
力、萨夫曼升力、马格纳斯升力等。 当颗粒密度与
流体密度相差较大时,曳力起主要作用,因此将曳
2. 3 连续相与离散相相互作用
基于 CFD-DEM 耦合方法,连续相采用 RNGk-ε
湍流模型,颗 粒 相 采 用 基 于 牛 顿 运 动 定 律 的 离 散

振荡流输送气固两相流的试验和CFD-DEM模拟研究保证稀相气力输送系统低速、低能耗下连续稳定地输送是气力输送行业重点关注的问题之一,而振荡流输送技术已被证明具有较好地降压降速的效果。

但振荡流场中气固两相流动复杂的多尺度结构未有较为完整的理论指导,严重阻碍了气力输送系统的设计、优化和放大。

因此,本文采用PIV技术和CFD-DEM方法深入开展振荡流气力输送过程中气固两相流动机理的研究,对促进振荡流气力输送技术的工业化应用和拓宽稀相气力输送系统产品升级具有重要的学术研究价值。

主要研究内容和结论如下:首先,通过搭建稀相气力输送实验系统研究振荡流对输送系统压降、最小压降速度及能量损耗的影响,并根据压降波动特性分析振荡流输送的平稳性。

结果显示,低速输送时振荡流能够降低系统的输送压降、最小压降速度及能量损耗,并且在水平输送管道中振荡流对输送压降减小最为显著;此外,通过分析最小压降的标准差,发现随着颗粒质量流量的增大,振荡流输送系统压降的标准差先减小后增大。

其次,采用PIV技术研究振荡流输送时管道内不同位置和不同气速下的颗粒分布及速度特性。

结果显示,相比轴流输送振荡流减少了管底颗粒的沉积层,从而使得管底部颗粒轴向时均速度和径向时均速度均增大,同时增强了输送过程中颗粒的脉动特性;此外,在低速振荡流输送时因不能及时分散颗粒使得其节能效果被削弱,而高速振荡流因过高的输送气速弱化了振荡特性对颗粒流动的影响。

再次,采用试验、高速摄像和图像处理技术测量颗粒的碰撞恢复系数以及颗粒与壁面的摩擦系数;并通过试验测量颗粒群休止角,结合EDEM“虚拟试验”和数学回归分析的方法标定颗粒间的摩擦系数。

结果显示,标定后的颗粒间摩擦系数能更好地反应实际颗粒群的流动特性。

最后,采用CFD中动网格技术研究振荡流场的湍流特性,并在已构建的试验颗粒离散元模型的基础上,采用CFD-DEM方法探讨振荡流场颗粒的微观流动特性。

结果显示,管道内振荡流的轴向速度沿径向分布更加均匀,且气流具有强烈的切向分量,同时振荡流速度存在周期性的湍流脉动,但沿着管道流动方向振荡流的湍流脉动强度逐渐减弱;此外CFD-DEM模拟显示,振荡流改变了颗粒初始的运动轨迹,增大了颗粒与管壁的碰撞数,减小了颗粒间的碰撞数,并且振荡流输送时颗粒群所受的曳力相比轴流输送时的偏大。

气动管道输送系统的流态数值模拟气动管道输送系统为工业生产过程中常用的物料输送方案之一。

在传统的工业生产中，物料输送常采用人工搬运或机械输送，但这些方式存在能耗高、加工工艺繁琐、污染环境等问题。

而气动管道输送系统的优点在于其操作节省时间、精度高、无需过多的人力投入、减少粉尘污染等不少的优点，因此得到广泛的应用。

但是，在气动管道输送系统中，由于气体与固体物料的反应以及其流态状态的影响，输送效率常会受到困扰。

因此，无论是对于生产商还是使用者，研究气动管道输送系统的流态数值模拟都有着不可忽视的价值。

1. 气动管道输送系统的基本上运行模式气动输送系统可分为压力式和真空式两种。

其中压力式气动输送系统为应用较广泛的一种，主要由压缩机、气缸、节流阀、过滤器和输送管道等部分构成。

在压力式气动输送系统中，物料通过加压的气流被输送至目标位置，而气流的大小和压力则是保证输送系统有效运行的关键要素。

物料输送过程中，气流会对物料产生摩擦，使物料产生较大的运动阻力。

在物体的移动过程中，其接触的表面存在不同的摩擦阻力系数，且在运动过程中，每个粒子与物料其他粒子之间还存在着相互作用。

2. 流态数值模拟在气动管道输送系统中的应用流态数值模拟是通过数学模型对流体的流动进行计算和预测的方法。

它已经广泛应用于液态和气态介质中的运动分析和模拟中。

随着科技的不断发展，研究者们也逐渐开始将其应用于气动管道输送系统中，并取得了一系列研究成果。

通过流态数值模拟，研究人员能够预测气动管道输送系统的气体流动和物料运动，并且能够提前发现可能出现的问题。

比如说，一些加工艰难的物料在输送过程中容易卡住，容易形成积堆，同时也会对管道产生较大的压力影响，而此时流态数值模拟能够提供一些有益的指导。

3. 流态数值模拟的方法和实现在气动管道输送系统的流态数值模拟中，主要采用了两种方法：传统的网格法和计算流体力学方法（CFD）。

网格法是工程设计计算中常用的一种方法，它通过将运算区域分成不同大小的网格，将求解区域离散化成多个互不重叠的单元，将复杂的物理问题转化成简单的代数问题，通过对这些单元之间的关系进行数值运算实现对问题的求解。

相气力输送系统的设计和参数优化 ［２］ 。 笔者运用
１ 概述
数值模拟的方法，对水泥粉消防设施的水泥粉密相
金属材料如锂、钠、镁、铝等工业产品，一旦发生
输送系统进行了设计计算，确定了输送系统中的管
火灾，无法用水进行扑灭。 某消防总队根据消防灭
道及相关机械设备的相关参数，并对气力输送系统
火经验，使用水泥粉对金属材料失火进行扑灭有良
充气罐容积 Ｖ ｔ ＝ ７２ ／ （０．８ × ３５ × １．１） ＝ ２．３４ ｍ ，圆
高压密相（ 栓状流） 输送方式，因为这种流型的流动
４．输送所需空气量
还有沙丘流，不规则成块和流化滑动床流动等 ［３］ ，
３
整后取 Ｖ ｔ ＝ ２．５ ｍ 。
３
以标准状况计，输送所需空气量 Ｑ ａ ：
Ｑ ａ ＝ ｑ ０ Ｇ′ｓ
水泥粉真实密度 ３．２ ｔ ／ ｍ
水泥粉松散密度 ρ ｂ
１．１ ｔ ／ ｍ
水泥粉输送量 Ｇ ｓ
６０ ｔ ／ ｈ
水泥粉粒径
３
２．输送量 Ｇ′ｓ
因此，可计算得出输送所需空气量 Ｑ ａ ＝ ７２ × ０．１５

× １１３．３ ＝ １ ２２３．６ ｍ ３ ／ ｈ。
５．空气流速 ｖ ａ
ｖ ａ ＝ ４Ｑ ａ ／ （３ ６００πＤ ２ ） ＝ ４３．３ ｍ ／ ｓ
等，充气罐容器：
（２）
式中：η ｂ ———罐内装入物料时的容积效率， 取 η ｂ ＝
０．８，１；
ｎ———每小时压送频次，取 ｎ ＝ ３５ 次 ／ ｈ。
由于消防车厢内空间有限，充气罐的容积需要
在满足工况的情况下尽量小，而充气罐压送次数增
多，可适当缩小充气罐的容积。
（６）

什么是气流体模拟CFD模拟技术什么是气流体模拟CFD模拟技术净化设备及系统设计的效果与室内气流组织密切相关。

好的气流组织方式能够使洁净区域的气流组织、温度、湿度和速度很容易地符合设计要求，反之，差的气流组织方式可能根本就达不到设计要求。

因此，在净化设备、净化系统设计完成之后施工之前，预测气流组织状况就很重要。

(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)，是一种重要的计算机模拟技术，其产生可以追溯到20世纪30年代初，它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。

1974年，丹麦的尼尔森(P.V.Nielsen)首次将CFD技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，标志着CFD技术开始应用于分析工程中的流动问题。

CFD是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行“三传”（传热、传质、动量传递）及燃烧、多相流和化学反应研究的核心与重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化工程等诸多工程领域。

1、 CFD模拟技术的应用范围CFD能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间（装置）内、外发生的下列工程问题：①净化设备及洁净区域内的流体流动模型数据；②高温传热（导热、对流、辐射换热、流固偶合传热）；③气－固、液－固、气－液、液－液等多相流（如均化库、增湿塔、气力输送等）；④非牛顿流体流动（流变、如粉体、混凝土、膏状物等）；⑤多孔介质流；⑥化工反应流；⑦煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧（如燃烧器、分解炉、烘干炉等）；⑧爆炸、爆燃和着火（如煤粉仓的爆炸与防治）；⑨搅拌反应釜；⑩环保（气体、水污染的扩散与防治、脱硫、NOx等）。

CFD分析研究可以提供净化工程设计、净化设备生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、尘埃粒子固体颗粒的停留时间，产品质量，反应率，尘埃粒子处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 3 期基于CFD-DEM 算法的气力输送气固两相流特性分析禹言芳1，石博文1，孟辉波2，丁鹏程1，姚云娟1（1 沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142；2 中国石油大学（华东）新能源学院，山东 青岛 266580）摘要：超轻粉体颗粒由于质量较小，在运输过程中易受气流扰动而飘散，物料的管道气力输送过程不稳定，易发生堵塞。

为了研究超轻粉体颗粒在旋流气力输送中气固两相流流动特性，采用计算流体力学与离散单元法（CFD-DEM ），对Komax 型静态混合器内气固两相流动特性进行数值模拟研究。

研究发现，带有Komax 型元件的水平管道可以改变颗粒的流动情况，改善了水平管道内颗粒堆积和分布不均匀的现象；分别从颗粒相和流体相的流动状态分析得到元件长径比A r =3时为最优几何结构；通过正交实验极差分析得到影响气固两相流动特性的因素顺序: 输送气速>颗粒质量流量>颗粒粒径。

当元件A r =3时，颗粒-颗粒和颗粒-管壁的碰撞次数与碰撞强度呈现负相关，结合出口颗粒流分散状态，优选输送气速为3~4m/s ；主要考虑输送气速对管内压降的影响，提出了带有Komax 型元件的水平管道气力运输过程中压降与输送气速和轴向位置的经验拟合式。

关键词：静态混合器；多相流；稀相旋流气力输送；颗粒流；CFD-DEM 耦合法；流动特性中图分类号：TQ051.2 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）03-1133-12Characteristics analysis of gas solid two-phase flow in pneumaticconveying based on CFD-DEM algorithmYU Yanfang 1，SHI Bowen 1，MENG Huibo 2，DING Pengcheng 1，YAO Yunjuan 1(1 School of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, Liaoning,China; 2 College of New Energy, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)Abstract: Because of its light weight, ultra-light powder particles are easily disturbed by airflow in the process of transportation, and the pipeline pneumatic conveying process of material is unstable and prone to blockage. To study the gas-solid two-phase flow characteristics of ultra-light powder particles in cyclone pneumatic conveying, computational fluid dynamics and discrete element method (CFD-DEM) were used to simulate the gas-solid two-phase flow characteristics in Komax static mixer. It was found that the horizontal pipe with Komax elements can change the particles flow state, and improve the accumulation and uneven distribution of particles. From the analysis of the flow state of particle phase and fluid phase, it was concluded that the element aspect ratio A r =3 was the preferred geometry structure. Through the range analysis of orthogonal experiments, the order of factors affecting gas-solid two-phase flow characteristics was obtained as follows: conveying gas velocity > particle mass flow rate > particle size. When the element aspect ratio A r was 3, the collision frequency and strength of particle-particle and研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0353收稿日期：2023-03-08；修改稿日期：2023-05-17。

文章编号:　1005—0329(2005)12—0001—04试验研究气力输送管路系统的流动特性与节能研究赵　军,胡寿根,王晓宁,郑　丹,王法良(上海理工大学,上海　200093)摘　要:　以空气、粉煤灰和砂石作为工作介质,对气力输送管道中气固两相流的流动特性进行了系统的试验研究,尤其对管路系统的特性、操作条件、物料和气体的性质等影响气固两相流压力损失的主要因素进行了深入的分析与探讨,并针对气力输送工程设计中的节能降耗问题给出了指导性结论。

关键词:　管道输送;气固两相流;密相;阻力特性中图分类号:　T Q022.3;TH232 文献标识码:　AStudy on the Flow Characteristics of G as 2Solids Tw o 2Phase Flow inPneum atic Conveying Pipes and Saving E nergyZH AO Jun ,H U Shou 2gen ,W ANG X iao 2ning ,ZHE NG Dan ,W ANG Fa 2liang (University of Shanghai for Science and T echnology ,Shanghai 200093,China )Abstract :　The pneumatic transporting and multi 2functional experimental apparatus has been established to study the flow characteristics of dense 2phase air 2s olids tw o 2phase flow in conveying pipeline.Systematic experiments ,in which air ,fly ash and quartz sand are w ork 2ing medium ,are conducted to explore the relationship between the pressure drop of tw o 2phase flow and the relating in fluence factors.Through the experiments ,the basic in fluence factors on the resistance loss of tw o 2phase flow in pipeline are found to be the properties of gas and s olids ,the dimension and orientation of pipeline and the operation conditions.The saving energy methods of pneumatic convey 2ing are als o brought forward.K ey w ords :　pipeline transportation ;air 2s olids tw o 2phase flow ;dense 2phase ;resistance characteristics收稿日期:　2005—02—17基金项目:　上海市科委基础研究重点项目(03JC14055)1　前言随着西气东输工程的启动,江河航道的疏浚,节能与环保政策的实施,管道输送作为除铁路、公路、水运、航空之外的第五大运输方式,正被广泛应用于电力、化工、建材、冶金等行业。

流体动力学（CFD）在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的应用流体动力学（CFD）在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的应用摘要：参照实验室所搭建的管道系统实验平台，根据计算流体动力学（CFD）方法建立管道内气体的二维非定常流动模型。

利用流体仿真软件FLUENT计算了缓冲器及孔板前后的气流脉动，通过分析气流脉动曲线及流场的分布情形验证了缓冲器及孔板对气流脉动的消减作用。

通过对比实验数据验证了利用CFD技术研究管道系统气流脉动是准确可靠的。

关键词：管道系统 CFD技术气流脉动 FLUENT 孔板往复式压缩机是石油、天然气、化工及电力等工业生产中的重要机械设备，其管道系统又是实现物质运输的主要途径，然而管道系统的振动会对安全生产造成很大的威胁，众多生产实践表明压缩机管路的绝大多数振动问题都是由气流脉动引起的，而压缩机吸排气的间歇性、周期性特点是产生气流脉动的主要原因。

因此研究气流脉动的产生机理，建立合理的流体动力学模型进行管道中气流脉动的预测具有重要的理论意义和工程实用价值。

现有研究气流脉动较为成熟的方法大多基于平面波动理论[1]或一维非定常流动理论[2]，它们均未考虑流体流动时湍流的影响，同时对缓冲器、孔板、冷却器、分离器等管路元件的气流脉动计算精度也较差。

随着计算机速度的提高和近年来CFD技术的发展，选用有限元方法[3，4]及有限容积法[5]计算管系的气流脉动取得了一定的成效。

CFD方法[6]应用于稳态的工业流场模拟已有较多的报道，但对非稳态的脉动流场研究较少。

本文基于CFD方法建立管道系统流体动力学模型。

在考虑湍流的情况下[7]，模拟了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系统非定常流动时气流脉动及流场特性。

通过和实验数据对比验证了CFD方法计算管道系统气流脉动的合理性及准确性。

一、CFD模拟计算理论目前广泛用于计算流体力学的数值方法有有限差分法、有限元法、有限体积法等，其目的都是将控制方程离散化，本文用到的CFD 软件FLUENT[8-9]采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组得出流场的解。

弯管稀相气力输送CFD-DEM法数值模拟杜俊;胡国明;方自强;范召【摘要】利用 CFD-DEM方法对稀相气固两相流在带有弯管的气力输送管道内的流动特性数值模拟。

通过 CFD求解连续气相流场，使用 DEM求解离散颗粒相运动及受力，为提高仿真速度，模型忽略了空隙度对气相的影响。

仿真结果显示了颗粒在弯管内形成颗粒绳及在垂直管道内颗粒绳分散的过程，并获取了颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞信息。

对比弯管上下两部分的碰撞情况，颗粒及壁面在弯管下半部分受到的撞击和磨损更严重。

通过对气力输送各类工作参数的研究发现，其对管道内气固两相流的流动特性和碰撞情况有着不同程度的影响。

气流速度对颗粒绳分散影响甚微，但对弯管内颗粒碰撞强度有明显影响。

随着颗粒质量流量的增加，形成的颗粒绳更紧凑、分散速度更慢，并在弯管中形成了阻碍颗粒-壁面碰撞的防护层。

弯径比的增加也能加强颗粒绳的紧凑度，减缓颗粒绳的分散速度。

%CFD-DEM model was used to simulate the gas-solid flow in dilute pneumatic conveying with bends.In CFD-DEM,the discrete particle phase was obtained by Discrete Element Method (DEM),and the flow of continuum gas phase was determined by Computational Fluid Dynamics (CFD).In order to consume less simulation time,the effect of the particle solid fraction on the gas phase was not taken into account. The results showed the particle rope formation in the bend and its dispersion in the vertical pipe,and obtained the particle-particle and particle-wall collision parison of the collision information in the bend,the collision and abrasion seemed more intensive at the bottom of the bend.It was also found that the geometry and parameters have differentmagnitude effects on the gas-solid flow and collisions in the pipe.The gas velocity was considered to be limited influence on the rope dispersion,but significant effect on the collisions in bend section.With the increase of the solid mass flow,the particle rope seemed stronger and more dispersed at a low rate,and there was a shield formed to impede particle-wall collision at the bend section.The increase of the bend radius ratio also made the particle rope stronger,and the dispersion rate lower.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P134-139)【关键词】离散单元法;计算流体力学;气力输送;稀相【作者】杜俊;胡国明;方自强;范召【作者单位】武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】TH48弯管作为气力输送系统中的典型零部件，对输送管道内气固两相流的流动特性有着显著影响，研究弯管内气固两相流的流动特性对设计和生产者优化、改善气力输送系统具有重要意义。

2020年增刊前言水泥工程系统粉体物料的主要输送方式是气力输送，包括气力输送泵，气力提升泵，仓式泵，料封泵，空气输送斜槽等设备。

气力输送系统由气力输送设备和管道组成，在输送过程中，由于粉体和输送管道的相互作用，导致输送过程效率下降，同时粉体颗粒对管道造成冲蚀磨损。

计算流体力学（CFD ）是计算机辅助工程（CAE ）的主要分支，广泛应用于科学研究、工程设计中。

Fluent 是目前国际上通用的商用CFD 软件包，用于模拟复杂条件下的流动、热传递和化学反应。

本文基于Fluent 软件对气力输送管路的弯管两相流场进行了定性仿真模拟，简要介绍Fluent 程序求解步骤，为输送管路的优化设计和复杂流体分析提供理论依据。

1模型建立本文选用某工程输送管道一段80°弯管建立简化模型：弯管内径d =150mm ，弯管半径R =300mm ，进口直段长度500mm ，弯管出口角度80°，出口直段长度500mm ，模型剖面示意见图1。

入口出口50050080°150ΦR 300图1弯管模型基于Fluent 软件平台对流场的模拟包括：（1）前处理器：可以通过GAMBIT 模块建立计算模型、进行网格划分，也可以通过导入其它主流建模软件模型或中间格式，使用Fluent Meshing 模块划分网格；（2）求解器：基于Fluent 进行参数设置和求解计算。

求解器是流体计算软件的核心．可对基于非结构化网格进行求解；（3）后处理器：通过对计算结果的后处理，实现图形图表化的输出显示。

本次使用SolidWorks 软件3D 建模，导入FluentFlow Meshing 模块进行划分网格，网格划分质量会直接影响到计算结果。

为了平衡计算工作量和计算的准确性，此次计算共划分弯管六面体网格数量75540个。

经检查网格质量良好，见图2。

图2弯管网格模型2求解计算粉体颗粒随高速气流在管道里流动，气体是连续相，粉体是离散相，这是典型的气固两相流模型。

第30卷第2期江苏理工学院学报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.30，No.2 Apr.，20242024年4月气力输送是输送散装物料的重要工业运输方式，其根据运输物料的标准，可使用不同的运输形式，如稀相输送和密相输送。

在这种充满粒子的湍流流动中，存在着许多影响粒子运动的复杂微物理现象，如粒子之间的碰撞、粒子与壁面的碰撞、湍流流动等。

因此，密相输送有可能会使颗粒在管道中堆积，从而导致管道堵塞和振动。

为了避免这些不利影响，气力输送可以采用稀相输送，但稀相输送需要具有较高的空气速度，这就会导致额外的电力消耗。

因此，在管道气力输送系统的设计中，最好能保持尽可能低的空气速度，以实现固体颗粒的连续稳定输送[1]。

为了实现这一目标，研究气力输送系统的颗粒动力学尤为重要。

在过去的几十年里，人们通过实验测量和数值模拟对气固两相流的粒子动力学进行了大量研究。

Yan等人[2]将高速PIV实验法作为气固两相流实验方法，实验数据十分可靠，但成本较高。

因此，近些年来，数值计算被广泛运用于多相流研究[3]。

Almohammed等人[4]研究对比了Eluer-Eluer和Eluer-Lagrange这两种计算方法，发现使用Eluer-Lagrange计算方法可以得出更详细的运动信息。

Ebrahimi等人[5]使用计算流体动力学和离散单元（CFD-DEM）耦合法，将数值计算的数据与LDV实验数据进行对比，发现两种方法得出的结果基本一致。

因此，CFD-DEM耦合计算法可以较好地模拟颗粒在管道内的流动情况，也更易提取颗粒的运动信息[6-8]，这对优化管道气力运输系统有很大帮助。

为了降低管道气力输送系统的能耗，减小管道磨损，提高物料运输的稳定性，学者们做了很多研究工作。

Zhou等人[9]将旋风机应用于气力输送中，发现其具有较好的节能特性，且使中等旋风强度下的低平均速度和较弱旋风强度下的高平均速度的输送稳定性得到了提升。

散状 物料 的输 送 。气力 输送技 术经 历 了从 稀相 输送 到 密相输 送 的发展 历程 。密相 输送 相对 于稀相 输送
２ 理 论 基 础 及 数 学 模 型 的 建 立
笔者 用 Ｃ Ｄ（ ｏ ｐ ｔ ｉ ａ Ｆｕｄ Ｄ ｎ ｍ ｃ ， Ｆ Ｃ ｍ ｕａ ｏ ｌ ｌｉ ｙａ ｉｓ 计 ｔｎ
关 键 词 ： 力输 送 ； 固两相 流 ； 动 状 态 ； 值 模 拟 气 气 流 数
中 图 分 类 号 ：Ｑ ２ ．０ ． Ｔ ０ ２ ３ １８
文 献 标 识 码 ： Ｂ
文章 编 号 ： ０ １ ９—１０ ２ １ ）５— ０２— ４ ０ ９４（０ ２ ０ ０ ３ ０
１ 概 述
气 力输 送 技 术就 是 利用 气 体作 为输送 动 力 ， 在 管 道 中输 送粉 粒状 固体 物料 。该技术 广 泛应用 于化 工、 水泥 、 冶金 、 矿 、 药 、 品 、 胶塑 料等行 业 的 采 制 食 橡
— —
图 １ 输送管道起始段模型
物料 输送 速度 矢量 ， ／ ； ｍｓ
ｐ —— 流 体微 元体 上 的压力 ，ａ Ｐ； Ｆ —— 作用 在 微元 体上 的外 部体 积力 ，／ ； Ｎ ｍ。
芋 —微 元 体表 面 的黏性 应力 ， ａ — Ｐ。
２ ２ 数 学模型 ．
３ ２ 水 平段 管道 ．
散 状 物料 输 送 管 道 的起 始 段模 型 如 图 １所 示 ， 其 中弯 头 的曲率 半径 为 ３ ０ ｍ 物料 入 口处管 径 为 ０ ｍ，
于密 相气 力输 送 ， 粒 相 和 气体 相 之 问 的耦 合 是 双 颗
向 的 ， 且存在 着 颗 粒 与 颗 粒 之 间碰 撞 所 引 起 的 粒 并 子压 力 和粒子 黏 性 应 力 的耦 合 。Ｅ ｌｒ ｎ模 型 的 基 ｕｅｉ ａ 本控 制方 程如 下 ： 连续 性方 程

天然气化工管道设备的CFD模拟分析摘要：本文针对天然气化工管道设备存在的管道腐蚀问题、管道泄漏问题、管道运维难度大问题，采用CFD模拟分析的方法，并且详细介绍了如何进行CFD 模拟分析，步骤包括建立几何模型、定义物理模型、进行仿真计算、以及模拟参数调整与结果分析。

通过CFD模拟分析，可以更加准确地了解管道设备的运行状态，为管道设备运行和优化提供指导。

关键词：CFD模拟分析；天然气化工管道设备；管道腐蚀；管道泄漏；管道运维难度；一、CFD模拟分析的方法CFD，即计算流体力学，是利用计算机实现对流体流动的数值模拟和解析的科学技术。

它可以模拟流体在空气动力学、水动力学、热工等领域中的运动及各种物理现象，如湍流、燃烧、传热等。

CFD模拟方法是一种计算机模拟技术，它的应用范围非常广泛，涵盖了多个领域，如航空、航天、汽车、建筑、化工、能源、环境等等。

CFD模拟分析的方法：（一）建立几何模型在CFD模拟分析中，建立几何模型是第一步。

几何模型应该准确地反映出实际物体的结构和形状。

对于简单的物体，可以使用CAD工具（如Ansys SpaceClaim、Solidworks、Inventor等软件）直接绘制其三维模型，由于绘制的模型曲面不可避免的存在不封闭或存在多余断线等情况，因此需要将其离散化成小单元网格并进行简化和修复。

（二）定义物理模型建立几何模型后，需要定义其所处的物理环境。

包括介质属性、边界条件等。

这些参数将影响计算结果的准确性。

例如，对于空气动力学的CFD模拟分析，需要考虑空气的流速、温度、湍流强度等参数。

（三）进行仿真计算在建立几何模型和定义物理模型之后，就可以进行仿真计算了。

根据不同的数值计算方法，CFD模拟分析可以采用不同的数值算法，如有限元法、有限差分法、体积法等。

在模拟过程中，需要对模型进行网格剖分。

网格剖分的数量和精度将会影响模拟结果的准确性。

使用CFD软件进行计算，在进行计算之前，需要先进行收敛判断，如果没有达到收敛条件，则需要适当调整计算参数，使其能够达到收敛[1]。

∂ ∂x
(ρ u ε ) +
∂ ∂z
(ρ v ε ) +
1 k
∂ ∂z
(ρ w ε ) =
∂ ∂x
(
µ e ∂ε σ ε ∂x
µ e ∂ε σ ε ∂y
+
(
µ e ∂ε σ ε ∂z
)+ ε (C G k
− C 2 ρε
)
以上方程中的变量均为时均值 其中: ρ－密度 ｕ－x 方向流速 ｖ－y 方向流速 ｗ－z 方向流速 Ｐ－压力 ｋ－湍流动能 ε－湍流动能耗散率 μ e－ 有 效 粘 性 系 数 ， μ e＝ μ +μ T μ T－ 动 力 粘 性 系 数 ， μ T＝ cμ ρ k2/ε Gk－ 湍 流 动 能 剪 力 产 生 率
∂ ∂w ( ρuw ) + ∂∂y ( ρvw ) + ∂∂z ( ρww ) = ∂∂x (µ e ∂∂w x ) + ∂y (µ e ∂y ) w ∂ ∂u ∂ ∂v ∂ ∂w ∂P + ∂∂z (µ e ∂ ∂ z ) + ∂ x ( µ e ∂ z ) + ∂ y ( µ e ∂ z ) + ∂ z (µ e ∂ z ) − ∂ z ∂ ∂x
以 上 就 是 在 工 程 上 广 泛 应 用 的 ｋ － ε 湍 流 模 型 ，模 型 常 数 见 表 1： 表 1 C1 1.44 C2 1.92 ｋ－ε模型常数 ρ （ kg/m 3 ） 5.1 Cμ 0.09
μ (m 2 /s) 1.808 × 10 -5
2.2. 控 制 方 程 组 的 边 界 条 件 2.2.1 入 口 条 件 和 出 口 条 件 ： 入口为压力入口边界或者速度入口边界，出口为压力出口边界。 2.2.3 固 定 壁 面 条 件 在固定壁面上采用无滑条件， 即垂直于壁面的速度和平行于壁面 的速度均为零: u B =v B =w B =0 k B = ε B =0 2.3 控 制 方 程 组 的 数 值 解 法 图 3 为 网 格 图 ，由 于 布 风 板 小 孔 孔 径 很 小 ，布 风 板 附 近 网 格 划 分 较密， 使模型总的网格单元较多， 达 26 万 个 。 已知入口压力 （ 工 况 1～ 4） 或 者 入 口 速 度 （ 工 况 5～ 9） 和 出 口 压 力 ， 流 体 工 质 为 空 气 ， 不 考 虑 灰 粒 的 影 响 ，环 境 温 度 为 20 ℃ ，湍 流 模 型 为 标 准 ｋ － ε 模 型 ，针 对 粒 径 为 300 μ m 的 灰 粒 ，经 工 程 应 用 计 算 ，悬 浮 速 度（ 临 界 流 化 风 速 ） 取 为 0 . 2 8 m/ s ， 计 算 工 况 见 表 2 所 示 。