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文章詳情
氣力輸送系統管道系統
日期：2026-03-11 03:20
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摘要：
管夾閥,箍斷閥 氣力輸送系統管道系統
氣力輸送系統廣泛應用于原料的輸送、除塵等。由于所輸送的物料，如篩分車間輸送的固體顆粒及煙塵等，具有密度大、硬度高、尖銳角突出等特點，加之輸送介質速度高，氣力輸送管道尤其是管道彎頭的磨損情況十分嚴重，已經影響到工業生產的連續性和生產**。氣固兩相流關鍵部位的磨損問題的解決對節約原料有重大意義，是節能降耗的有力體現。
氣力輸送系統管道不僅應用范圍廣泛， 而且應用效果也非常顯著。 本課題在傳統的氣力輸送的基礎上對閥件關鍵部位的管道與普通管道做了比較，并對其進行了優化設計，在這同時借用Fluent軟件工具來模擬氣力輸送的管道系統，通過一些條件的設立得到結果，并將不同條件下的結果進行對比，來分析氣力輸送中存在的流動的不穩定因素、造成堵塞的機理以及減少磨損的方法。
本文中提出的是氣力輸送變截面管道， 通過參考書及其文獻指導建立了管道的模型，并應用fluent軟件得出了速度、壓力等一些實驗數據，其結果與實際數據的擬合程度有待進一步通過限制模型的假設條件來提高（因為我們在運用軟件時設置的參數與現實環境還是有不一樣的地方），這與運用數學對現實問題進行建模很有相似性，它們都有解決問題前的假設條件。
課題背景
隨著我國電力工業的飛速發展，不斷地興建大型火力發電廠，電廠的三廢排放問題也越來越突出，就拿粉煤灰的排放來說，一個總裝容量100萬千瓦的電廠，每小時要排放120噸左右的粉煤灰，而年排放量達到85萬噸。過去對粉煤灰的排放一般采用水沖灰排放方式，這不僅消耗大量的水資源、資金，而且增加環境污染，并且占用了大量的堆灰土地。隨著電廠的不斷興建和大型化，這些問題越來越突出。若氣力輸送成為電廠的主要輸灰系統，基本上不需要用水，就不會像水力除灰系統那樣對環境和水質造成污染，并可保證灰在輸送過程中不會發生化學變化，保持灰的原有特性，有利于灰渣綜合利用。近幾年來過內外科技工作者對氣力輸送系統的研究有了很大的發展，并把它應用在各種傳送機器中，其中不乏有米廠、電廠從各種優化方案中綜合考慮經濟環境經濟因素用到氣力輸送傳動。因此氣力輸送技術課題的研究有著廣泛的工程實際需要和重要的理論、實踐及經濟意義，具有廣闊的發展前景。管夾閥,箍斷閥
*早使用空氣輸送固體或液體的嘗試始于19世紀初期。1810年，Medhttrst首先提出了郵件氣力輸送的方案。1824年，Vallance建立了*早的氣力輸送實驗裝置。1861年，Rammell建成了**條筒式氣力輸送系統。但氣力輸送用于成件貨物的輸送則開始于19世紀60年代中期。1866年，氣力輸送技術正式用來輸送棉花和砂等散裝物料。*初，氣力輸送僅僅用于碼頭上的裝卸。限于當時的工藝技術水平，氣力輸送技術在很長的一段時間內幾乎沒有多大發展。直到1891年，英國密爾沃爾公司的工程師F．E．Dockham對氣力輸送系統進行了大量的改造，發明了可連續排出物料的負壓輸送裝置，氣力輸送技術才得到了極大的發展。這種負壓氣力輸送裝置特別受到糧食輸入國，如英國、荷蘭、德國等國家的重視，負壓氣力輸送也得N-f較大程度的普及。20世紀初氣力輸送裝置開始用于車間內部的物料輸送。此后，正壓氣力輸送裝置的研究也取得了較大的發展，到30年代左右在車間內部已被廣泛使用。20世紀70年代，日本學者久保輝一郎、水渡英，對粉體的力學特性和運動理淪進行了研究。仁漳其貞用流體力學和固體摩擦理論的方法，建立管道顆粒流動的運動模型。研究流場中單顆粒或有著相互作用的多穎粒運動，以及考察含有穎粒的流場本身可用來推測流場中有關的流動信息，如探討作用在顆粒上的合力和通過對流場平均得到的流變性質等。
氣力輸送技術在我國起步較晚，20世紀50年代末才開始有所研究，60年代以后，倉泵正壓氣力輸送技術開始在國內得到應用，進入80年代，許多電廠相繼引進了各種類型的除塵設備及相關技術。之后，氣力輸送相繼在水泥、冶金、**等行業得到了推廣和應用。1978年，中國科學院化工冶金研究的李洪鐘，就垂直氣力輸送壓強降計算方法進行了深入地研究陰。1980年，華東化工學院的楊倫對脈沖氣刀式栓流密相氣力輸送進行了研究。1990年上海海運學院的余達銀等對氣力輸送進行的優化設計，1992年，余洲生又對長距離水平輸送進行了有益的探討。1996年，清華大學的魏飛等就氣固并行系統中彌散顆粒混合行為進行了系統的研究。1998年，陳利東等對濃相氣力輸送的流型及穩定性判定進行了實驗研究，提出了一種檢測流型穩定性的方法。固體的氣力輸送代表了十九世紀工業的巨大革新之一經過一個多世紀的發展，目前，各種裝置形式越來越多，己有制造成套氣力輸送裝置的工廠，僅在美國，據不完全統計，這類工廠就有30多家。
氣力輸送系統分類與特點
氣力輸送系統的分類方法有很多，如按照料氣比分類、按照料氣兩相流體力學特征分類、按照料氣兩相運動特征分類、按照裝置特征分類等。主要分類有以下兩種:根據輸送裝置分類，其依據來自輸送管道中空氣壓力狀態:另一種是物料在管道中的流動狀態分類，其依據相圖、輸送管道中氣固流動狀態、單位時間的輸送量及料氣比。
(1).按輸送裝置特征,氣力輸送可以分為負壓式、正壓式及混合式三種。
(a)負壓輸送
負壓輸送系統是以輸送系統末端的引風裝置運轉時形成負壓與外界壓力差為動力的。由于壓力差的存在，外界空氣被吸入管道，同時物料隨空氣的運動而被帶入管道。到達終點后，物料從空氣中被分離出來并收集，空氣則經凈化后排入大氣或循環使用。負壓輸送系統多用于集中式輸送，即多點向一點輸送，如車間除塵、糧食入倉等。負壓輸送的優點在于能有效的收集物料，物料不會進入大氣，這對于有毒物料的氣力輸送尤其重要，但由于真空度的影響，其輸送距離受到一定限制，一般系統壓力降的限度是O．044MPaf71。
(b)正壓輸送管夾閥,箍斷閥
正壓輸送是*早使用的氣力輸送系統，也是氣力輸送的*基本形式。正壓輸送是利用系統起點的風機向輸送管道內通入壓縮空氣，利用管道起點與終點的壓力差，使空氣在管道內流動，并帶動物料運動的。正壓輸送系統中，物料由供料裝置送入輸送系統，在輸送終點，物料與空氣分離。與負壓氣力輸送系統相比，正壓輸送系統的輸送距離較長。正壓輸送系統適于分散輸送，即一點向多點輸送，在輸送管線中，物料可在任意卸料點依靠物料的重力與輸送介質實現分離。
(c)混和輸送系統
混和輸送系統是在同一輸送系統中將正壓輸送系統和負壓輸送系統聯用的一種輸送系統。混和輸送系統結合了正壓和負壓輸送系統的特點，因而可用于復雜的輸送條件。
(2) 按照料氣比，氣力輸送系統又可以分為稀相氣力輸送、濃相動壓氣力輸送、濃相靜壓氣力輸送和筒式氣力輸送。
(a)稀相氣力輸送
稀相氣力輸送的特點在于輸送系統內氣流速度高，物料呈懸浮狀態，空隙率大。物料的輸送主要依靠氣流速度的動能。稀相氣力輸送采用的速度通常為12～40m／s，料氣質量比一般為1～5，*大不超過15。
(b)濃相動壓氣力輸送
濃相動壓氣力輸送的氣流速度一般在8～15m／s之間。濃相動壓輸送中物料在管內呈密集狀態分布，依靠空氣的動能來輸送。這類氣送裝置有：高壓壓送、高真空吸送和流態化輸送。濃相動壓輸送的料氣比變化范圍很大，高壓壓送與高真空吸送的料氣比大致在15～50之間，流動狀態呈脈動集團流；而對于易充氣的粉料，料氣比高達200以上，呈流態化輸送。
(c)濃相靜壓氣力輸送
濃相靜壓氣力輸送中物料密集而栓塞管道，依靠氣流的靜壓來推送物料。濃相靜壓氣力輸送可分為柱流和栓流兩種：柱流氣力輸送：密集物料連續地充塞管道內而形成料柱，料柱運動速度低，一般為0．2--一2m／s，柱流氣力輸送僅適用于短距離輸送。栓流氣力輸送：人為地把料柱預先切割成較短的料柱，輸送時，氣栓與料栓相間分開。栓流氣力輸送適用于中距離輸送。
(d)筒式氣力輸送
筒式氣力輸送是預先將需要輸送的物料裝入傳輸筒或筒車內，利用空氣的靜壓使傳輸筒或筒車在管道內滑行的輸送方法，適用于既難于懸浮，而又無法成栓的成件貨物的輸送，如火車上單據、文件的輸送，郵局中信件的輸送等。
（1）優點
由于氣力輸送的輸送介質(一般為空氣)在多數情況下到終點后即排入大氣，沒有回程，因此與其它輸送技術相比具有以下優點：
(a)管道路線靈活，占地面積*小。可根據空間條件合理設計管道路線布局，不受場地和空間限制；
(b)不污染環境，也不受環境污染。由于被輸送物料全部通過管道輸送，與外界隔離，因此不會對外界環境造成污染，尤其是負壓輸送系統；物料不受環境的影響，特別是對于化學不穩定物料，可采用惰性氣體作為輸送介質實現物料的氣力輸送；
(c)輸送效率和自動化程度高。由于輸送系統中沒有機械傳動環節，因此不需要專人操作；
(d)可輸送距離長。可以通過分級輸送或采用混和輸送的方法延長管道輸送距離；
(e)輸送過程中可以通過定量分流來實現各工藝過程直接的銜接。
（2）缺點
(a)與其他散狀固體物料輸送設備相比，氣力輸送系統動力消耗較大，特
別是稀相氣力輸送系統。
(b)使用受到限制。氣力輸送系統只能用于輸送干燥、無磨琢性、有時還需要能自由流動的物料。如果成品不允許破碎，則脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相氣力輸送。除非是特殊設計，否則易吸潮、結塊的物料也不宜采用氣力輸送系統。易氧化的物料不宜用空氣輸送，但可以采用帶有氣體循環返回的惰性氣體來代替空氣；
(c)輸送距離受到限制。至目前為止，氣力輸送系統只能用于比較短的輸送距離，一般小于3000m，對較粘的物料則更短，例如炭黑，目前其輸送距離在2000m以內；
(d)物料特性如堆積密度、粒度、粒子強度、休止角、磨琢性等的微小變化，都能造成操作上的困難；
(e) 易磨損、易堵塞、高能耗。
管道中物料的流動狀態實際上復雜多變，物料顆粒有時會從氣流中分離出來，或者沉降在管底形成料團；或者黏附于管壁上并逐漸增厚。一旦在某個局部管段堆積的料團發展到充塞于整個管道戴向．而又滯留不動時，就會導致輸送過程完全停止。這種現象，我們稱為“堵塞”。
在輸送過程中經常會出現管道堵塞現象，這給濃相氣力輸送的應用帶來了諸多不便, 其原因主要有：系統參數設定的影響、氣源的影響、被輸送介質的影響、管道泄漏的影響、其它方面影響（如管道設計不合理等）。
為了防止堵管，要充分考慮各種因素對輸送性能的影響，保證輸送系統的*佳工作參數；輸送氣體做到清潔、干燥；定時清理輸送裝置和管道，定期進行管道的修理，防止發生滲漏等。一旦發現堵管現象可立即采用“反抽”的方法進行排堵。
磨損是指材料在使用過程中，由于表面受固體、液體或氣體的機械作用而引起材料的脫離或轉移而造成的損耗，但對于磨損的具體定義，目前還沒有定論，不同機構對磨損的定義不劇：
（1）英國機械工程師協會把磨損定義為“由于機械作用而造成的物體表面材料的逐漸損耗。
（2）前蘇聯克拉蓋爾斯基認為磨損是“由于摩擦結合力的反復擾動而造成的材料破壞。
（3）美國材料試驗學會(ASTM)標準關于磨損的定義是“由于物體表面且相接觸的物質問的相對運動造成的物體表面的損傷，還常有材料的逐漸損失。
（4）1979年修訂的Din50320將磨損定義為“磨損是一個物體由于機械的原因，即與另一個固體的、液體的或氣體的配對件發生接觸和相對運動，而造成的表面材料不斷損失的過程。
磨損是一個極為復雜的過程，其研究工作相對于摩擦要晚，20世紀50年代初期才開始在工業發達國家有“黏著磨損”理論的研究。20世紀60年代以后，由于分析測試手段(如電子顯微鏡、光譜儀、能譜儀、俄歇譜儀、電子衍射儀等)的迅猛發展和放射性同位素示蹤技術、鐵譜技術的大量應用，磨損研究在磨損力學、機理、失效分析等方面有了迅速發展。磨損的分類根據不同標準可有不同的分類方法，如按機制、按表面接觸性質、按環境和介質劃分等。從磨損的機制來分，磨損可分為黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損。
（1）黏著磨損。黏著磨損是在法向加載下，兩個相對滑動的表面在摩擦力的作用下，表面發生破裂，分子力的作用使兩個表面發生焊合，強度較高的材料表面黏附對摩件的金屬。黏著磨損一般可分為磨合階段、穩定磨損階段和加速磨損階段。
（2）磨料磨損。磨料磨損是由于硬顆粒或突起物在與摩擦副表面的相互接觸過程中，使材料產生遷移的現象。磨料磨損一般由多種磨損機理引起，而且隨著磨損條件的變化，會從一種磨損機理轉變為另一種磨損機理。
（3）腐蝕磨損。腐蝕磨損是一種考慮環境介質因素的磨損過程，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復雜磨損過程。
（4）疲勞磨損。疲勞磨損主要發生在承受周期性的接觸載荷或交變應力的零件表面上。疲勞磨損是兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度時，在表面層引發裂紋，并逐步擴展，*后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的過程。
（5）微動磨損。由于機械振動引起的緊密配合的零件接觸表面間產生的小幅的相對振動而產生的微動磨損。
（6）沖蝕磨損。沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時，表面出現破壞的一類磨損現象。這類磨損通常是由于流體或固體顆粒以一定速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的。沖蝕磨損所研究的松散顆粒一般小于1000p,m，沖擊速度在550m／s以內。磨損是一種普遍存在的現象，凡兩個物體相互接觸并有相對運動的表面都會發生磨損，磨損造成的危害和損失是十分驚人的。統計數據顯示：美國每年因磨損造成的經濟損失占其國民生產總值的4％；我國每年因摩擦磨損造成的經濟損失在1000億人民幣以上。現今世界能源消耗的l／3～1／2是因為摩擦和磨損造成的。從材料消耗的角度來說，約80％的機械設備失效是由磨損引起的。管夾閥,箍斷閥
我國有關部門的統計結果表明，僅在冶金礦山、建材、電力、煤炭和農機等5個行業中，因設備構件與沙土、礦石、水泥、煤炭等物料接觸導致的磨損所消耗的金屬材料達300萬t以上，磨損占生產成本相當大的比例，如礦山在碎礦、磨礦過程中所消耗的耐磨材料占其選礦成本的一半。張嗣偉教授在2004年我國工程院與國家自然科學基金委聯合召開的“摩擦學科與工程前沿研討會”上指出，中國每年由于摩擦、磨損損失584．7億元，而2003年**工礦企業在此方面的節約潛能約400億元。氣力輸送系統中管道的磨損是一種典型的沖蝕磨損，管線中的構件，特別是異型構件(如彎頭、三通、變徑管等)的沖蝕磨損是引起系統失效的主要原因之一，彎頭的磨損可高于直管的50倍。沖蝕磨損己經成為許多零件和設備材料破壞的原因之一，如空氣中的塵埃和砂粒如果浸入直升機發動機內，可降低其壽命的90％；火力發電廠粉煤灰鍋爐燃燒的尾氣對換熱器管路的沖蝕而造成破壞大致占管路破壞的1／3，其*小壽命只有16000h；煉鐵高爐返礦氣力輸送管道壽命有時僅有3個月；風機因沖蝕磨損而導致的停機停產在冶金行業中占風機故障的一半以上。
根據介質不同沖蝕磨損可分為兩大類：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動介質中攜帶的**相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅(氣泡)，從而對材料表面施加機械力。如果按流動介質及**相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類型。表1．2是沖蝕磨損分類及實例。表1-2沖蝕磨損分類及實例關于沖蝕磨損的研究，*早可以追溯到19世紀初。早在1807年，Young就曾著文討論了噴砂問題。*早在沖蝕磨損理論方面取得成果的是Finnietl 71，他在1958年提出了**個沖蝕理論—微觀切削理論，并提出了體積沖蝕率與入射角、粒子速度、靶材流出應力的關系式。此后，研究者相繼提出了多種沖蝕磨損理論和模型對材料的沖蝕行為進行解釋。但到目前為止，還沒有一種理論或模型能夠**的解釋不同材料的沖蝕問題。在現有的沖蝕理論中，較為研究者廣泛認同的有塑性材料的微觀切削理論、變形磨損理論、沖蝕脫層理論、鍛造擠壓理論、脆性材料的彈塑性壓痕破裂理論以及二次沖蝕理論。其中介紹單點沖蝕的切削模型如下：Hutchingsll91用高速攝影法觀察單個球形粒子及立方粒子以30。攻角沖擊金屬表面的情況，根據實驗結果提出犁削和兩種切削模型，見圖2-1。
圖2-1幾種典型沖蝕坑側切面示意圖
Hutchings只做了低攻角下的單顆粒實驗，其它的一些實驗觀察表明，多角粒子也不易出現上述典型情況。Budinski將單點沖蝕劃分為四類，如圖2-2;a)點坑型沖蝕，類似于硬度壓頭的對稱性菱錐體粒子正面沖擊造成的；
b)犁削，類似于犁對土地造成的溝，凹坑的長度大于寬度，材料被擠到溝；
c)鏟削，在凹坑末端堆積材料而鏟痕兩側幾乎不出現變形；
d)切片，凹坑淺，由粒子斜掠而造成的痕跡。
圖2-2沖蝕破壞的四種基本類型
a)點坑 b)犁削 c)鏟削 d)切片
影響氣力輸送管道沖蝕磨損的因素主要從粒子性質與輸送參數兩個方面考慮，如下的幾點就是這兩方面的各個體現。
（1）粒子粒度
粒子粒度對彎頭沖蝕磨損的影響與常規沖蝕磨損影響規律類似，即對于不同氣力輸送條件下的沖蝕磨損，粒徑都存在極限值。當粒子粒徑大于極限值時，磨損量趨于穩劇。研究表明沖蝕磨損率隨粒子粒度增大而迅速增大。
（2）粒子強度
粒子強度主要是影響粒子在輸送過程中的破碎難度與破碎率，以及由此引起的二次磨損。在氣力輸送特別是稀相氣力輸送條件下，被輸送物料的平均粒徑隨經過彎頭數量的增加而呈減小的趨勢。這種粒徑減小的趨勢越明顯，相應材料對彎頭造成的沖蝕磨損率越高，也就是說，粒子在輸送過程中越容易破碎，則其產生的沖蝕磨損率越高，
（3）粒子形狀
粒子形狀對沖蝕磨損的影響主要體現為其對磨損機理的影響。粒子沖擊靶材時，粒子與靶材的接觸面積決定了兩者之間作用強度。尖角形粒子對塑性材料表面的沖蝕多為切削型磨損，球形粒子沖蝕所產生的磨損主要表現為塑性變形磨損。
（4）輸送速度
介質速度是影響沖蝕磨損率的*大因素，這也是本文討論的核心之一。管夾閥,箍斷閥
（5）物料濃度
隨著粒子濃度的增大，彎頭的總質量損失降低，即單位質量粒子造成的沖
蝕磨損量降低，由于懸浮濃度的增大，粒子間撞擊的幾率也增大，撞擊管壁的粒子動能降低。
（6）沖擊角
沖擊角是指入射粒子軌跡與靶材表面之間的夾角。沖擊角的不同主要影響了粒子沖擊靶材時動能的切向和法向分量，以及在沖擊過程中的能量消耗。對于沖擊粒子來說，動能切向分量是產生切削，而法向分量則是影響粒子壓入靶材表面的深度，兩者共同決定著磨損量。
為了減少磨損對生產造成的影響，工業上采取了多種措施來降低氣力輸送管道的磨損，延長管道的使用壽命， 對于管道外形的優化設計和材料優選都是比較好的減磨方法。本課題主要從管道外形的優化設計方面來考慮以期達到減磨的目的。由于影響氣力輸送管道磨損的因素很多，本文著重在壓力損失與氣體、顆粒的出口速度方面通過管道變徑的優勢來研究磨損問題。實驗表明管道的變徑后的管道可以減少壓損與氣體、顆粒的出口速度。**章主要建立了壓力損失的模型。
料氣輸送比,通常指他們的重量或者質量流量比,即流過管道截面的物料與空氣的流量比,簡稱混合比,可表示如下：
式中 為空氣流量( )
為物料流量或輸送量( )
物料在垂直管道中處于懸浮狀態,是氣力輸送的特點.其機理可做如下闡釋：如果氣流的上升速度 等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度 時,物料就會懸浮在氣流中,這樣便具備了氣力輸送的基本條件。此時氣流速度稱為該物料的懸浮速度 。
空氣流量由輸送量(物料)與混合比的關系算出以后,一旦選定管內氣流速度,便可以計算輸送管徑,因而氣流速度是氣力輸送中的一個重要參量。但是由于物料占據了管道一定的截面,而管道的截面積為,則空氣通過凈面積的真實速度要比氣流速度要高。氣流的真實速度總是大于氣流的視在速度。當管道某一截面上物料增多時,物料占據的面積增加,從而使氣速增加,物料便自動加速。
在氣力輸送系統中摩擦系數包括空氣流動摩擦系數 與物料流動摩擦系數 。管道內的壓力損失計算是氣力輸送計算的關鍵，它是確定輸送壓力、空氣量、管道直徑等輸送系統參量的必需手段，是氣力輸送計算方法的核心。在計算管道沿程壓力損失中，通常要算及氣流的壓力損失與物料流動的壓力損失，這兩者壓力損失之和是整個沿程壓力損失的主要部分。理論與實驗都證明，物料流動的壓力損失占整個氣力輸送壓力損失的大部分，所以對于物料流動的摩擦系數選取尤其重要。
如圖3-1所示,假設物料的運動速度為 ,在 時間內移動 距離,則 = / ,若單位時間內的輸送物料的流量為 ,則 時間內輸送距離便可寫成:
圖3-1管道內物料運動示意圖
在 物料中，有著三個作用力，三個作用力的總和決定物料的運動方程，下面逐一敘述：
（1）物料顆粒與管壁間的摩擦和顆粒相互間碰撞的阻力；物料在管道中運行時，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動快的顆粒相撞，又發生運動量的交換，較快的顆粒減慢，而較慢的顆粒卻加快。這種過程類似空氣在管道中做紊流運動時的情形。
對于氣流做湍流流動時，所引起的管壁的摩擦力計算公式由參考書可查到：
其中： 為空氣對管壁的摩擦剪應力：
為微小單元管長
為管道直徑
物料對管壁摩擦時，由于物料顆粒在輸送管中的運動極為復雜，因此要確切地表示顆粒所受的管壁作用力是相當困難的。但是可以近似地把物料顆粒在管道截面均勻分布的情形仿照氣體湍流時的情形來表示。去輸送段的微小單元長，在這單元體積內具有的物料量，則物料與管壁的摩擦阻力為：
（2—1）
其中： 為管壁對物料的摩擦剪應力
對比并近似對照氣體在管道流動摩擦壓損理論
代入可得：
（2）氣流對顆粒的粘性阻力
（2—2）
式中K為系數
當Ret<1時,K=1管夾閥,箍斷閥
當Ret=1~500時,K=0.5
當Ret>500時,K=0(其中Ret為顆粒雷諾數)
（3）由重力引起的阻力
重力所引起的阻力不僅要使物料懸浮在管道中，而且還要提升物料。物料提升 所需的空氣推力為
（2—3）
式中 為重力引起的壓損
根據重力理論，欲使顆粒懸浮和提升所需的能量，應等于空氣消耗的能量，若物料以速度通過管長所需的時間為 ，物料的懸浮速度為 ，則單位時間懸浮物料所需能量為 ，另外，單位時間物料提升高度所需能量為 ，則有：
（2—4）
式中 為空氣體積流量
把（2—4）代入到（2—3）得：
（2—5）
（4）物料運動方程
物料量的運動方程為
（2—6）
把（2—1）、（2—2）、（2—3）代入（2—6）得
（2—7）
（1）壓力損失的概念
在氣力輸送過程中，物料輸送所需要的能量是通過空氣壓力的降低來給予的，這個空氣壓力的降低通常稱之為壓力損失，也即從管道的進口（inlet）到出口（outlet）的壓力的降低。有關物料輸送的壓力損失的計算方式大致可以分為均布理論，重力理論和能量理論。
(a)均布理論
均布理論的假定：物料顆粒在水平管道截面上是均勻分布的，物料運動速度與空氣運動的速度是相同的，從而物料的運動阻力與純空氣運動的阻力相似，只考慮物料運動的摩擦壓損。
(b)重力理論
重力理論認為：物料運動壓損不僅考慮摩擦阻力，而且還應考慮物料重力壓損。因此，重力理論假定：鉛垂直管道中物料運動的速度低于空氣運動速度，其差值等于顆粒的懸浮速度.
因此，要使顆粒懸浮所需的能量，應等于空氣所消耗的能量。重力理論還認為：在水平管道中懸浮物料所需的能量近似地等于鉛垂直管道中懸浮物料所需的能量。
(c)能量理論
能量理論認為，氣固兩相流運動中，物料顆粒的水平管道截面中大多數情況下并不是均勻分布的，物料的速度低于空氣運動的速度。它依靠空氣和物料運動的速度差產生的作用力傳遞能量，使物料顆粒保持懸浮，并克服顆粒與管壁、以及顆粒彼此之間的沖擊和摩擦阻力。
（2）壓力損失的計算
根據能量理論，氣力輸送的壓力損失包括加速損失，重力引起的壓力損失。
(a)加速損失
設物料的加速損失為 ，則在管道截面 上作用在物料上的加速力為 ，在這個加速力的作用下，物料速度從 加速到 1，根據動量定律可寫為：
由上式變形得：
所以：
設純空氣的加速度壓損為 ,同理可根據動量定律得：
所以：
根據以上的推導,得到加速引起壓力損失的表達式：
(b)摩擦損失
物料在管道中運動時，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動比較快的顆粒相互撞擊，又發生運動量的交換，比較快的顆粒減慢；而比較慢的顆粒卻加快。上節提出單位質量顆粒在運動中所受到的顆粒與管壁的摩擦以及顆粒相互間碰撞的阻力為
那么此阻力引起的空氣壓損
將代入得
(c)重力引起的壓力損失
根據重力理論,要使顆粒懸浮和提升所需的能量,應等于空氣所消耗的能量.由以上知重力所引起的阻力 如下所示：
則克服重力 所引起的壓力損失 為對于閥類關鍵部位的設計我借助了變徑管道的相關研究理論,一般在設計氣力輸送管道時由于輸送過程中空氣能量不斷損耗，壓力沿輸送長度逐漸降低，這樣，氣體密度下降，空氣產生膨脹，氣流速度加快。相應導致系統壓力損失增加，管道磨損加劇，物料破碎嚴重。因此，為解決這些問題，可以把輸送管道設計成變徑管道，使每一管徑區段內，在保證可靠輸送的情況下，氣流速度穩定在一定的范圍內。
設計變徑管道系統時，應遵循的變徑原則是：壓力盡量低，變徑管道的任一處的空氣速度不能低于系統可靠輸送的*小速度，既滿足如下約條件：
據資料表明，Wypych以煤粉為例對變徑管進行實驗研究，輸送量24t／h，輸送距離1800 m時，可以采用Fmb=6，足以滿足輸送極限。數據如表1所示。
由試驗數據可知，在相同的入口流速下，當輸送管后段直變大后，流速隨之下降。比較表中3組數據，單一管徑(127mm)輸送時，壓降595kPa，出口流速達到46．1m／s；采用**變徑管(在683m處變徑為管徑154mm)輸送時，壓降為458kPa，壓損減少137kPa；而采取第3組數據輸送時，料氣比*大，出口氣速、壓損和耗氣量都*小。可見采用二級變徑(第3組數據)*有利于輸送。
很明顯通過變徑處理后，該氣力輸送管道的壓損、出口氣速、耗氣量的減小，所以接下來本文將上敘的理論應用到關鍵部位改進當中。
有一小型出糠機局部管道的進口（inlet）速度要求為10 ，其改進前的尺寸如下圖4-1所示：
圖4-1
建模
Gambit是一個集建模、劃分網格、定義邊界條件為一體的計算流體力學（CFD）軟件，它廣泛地應用在CFD及其它科學工程領域，具有友好的GUI界面和可操作性，逐漸成為了****的專用前處理軟件。將Gambit生成的網格信息導入Fluent中，便可進行后續的計算及分析。Gambit的操作步驟分為3步：構造幾何模型、劃分網格、指定邊界類型和區域類型。完成3個步驟后，將帶有邊界信息的網格模型存盤（文件擴展名為*.dbs）或輸出為專門的網格文件（*.msh），供CFD求解器讀取。下面將詳細介紹。
對于Gambit的構建幾何圖形有好多方法，如將其他如CAD、PRO/E、UG等軟件構造好的圖形導入到Gambit中，還有就是Gambit自帶的三維、二維設計工具，但復雜圖形還是用其他軟件做好再導入比較方便，Gambit主要功能還是在劃分網格上。本文都是先用CAD軟件先建好二維模型，然后到Gambit中建成三維再劃分網格或者直接將CAD軟件建好的二維圖形導入Gambit劃分網格。
（1）打開Gambit, 新建一個名為“liqiang”的新文件。如下圖4-2所示：
管夾閥,箍斷閥
圖4-2
（2）在CAD創建圖4.1所示的左示圖，由于Gambit中的圖形在劃分網格必須是面或者是體（道理很簡單，因為我們制造的管道在FLUENT中模擬時是作為管道內流體所組成的輪廓），所以在CAD中按住Region(面域)命令框選中圖形從而創建出一個域，然后再框選出已經做好的域輸出在所要存放的硬盤中去,其中要輸出的圖形保存時必須為“sat“為后綴的類型。完成好上面的步驟后再從Gambit中導入（import）后得到如下圖4-3所示：
圖4-3
（3）在Operation中依次選擇Geometry>Sweep Face,在Sweep Face中的path中選擇vector點擊Magnitude并且在其中輸入300如圖4-4。然后在Sweep Face中的Faces中選擇Face1,完成以后再按Apply將得到圖4-5：
圖4-4
圖4-5
正確地劃分網格是非常重要的，只有這樣，才能在Fluent中正確地分析流場，得到比較正確的結果。
(1) 劃分體網格。
依次點擊圖4-6中的按鈕，彈出“Mesh Volumes”對話框，選擇視窗中的管道，在“Interval size”里填40（不需要很小的網格，只要能比較正確地模擬就可以了，太小的網格計算量太大），其它選項接受默認，如圖4-7所示。劃分后的網格見圖4-8：
圖4-6 圖4-7
圖4-8
劃分了網格后，需要進行邊界條件的定義。正確地描述問題，就需要正確地定義邊界條件（這里的邊界條件可在Fluent中修改）。
(1) 定義入口為速度入口（VELOCITY_INLET）。
選擇Operation——Zones，彈出“Specify Boundary Types”對話框。在“Entity”中選擇“Faces”，然后選擇在“Name”中填入入口的名字“inlet”，在“Type”中選擇“VELOCITY_INLET”，點擊“Apply”確認，就完成了速度入口的定義。
(2) 定義出口為流動出口（OUTFLOW）。
依照上面的方法將另一底面定義為OUTFLOW，命名為“outflow”。
(3) 定義壁面為壁面（WALL）。
只要定義好進口出口，其他面默認為壁面，所以不用設置。結果如圖4-9所示。
依次點擊“File”-“Export”-“Mesh”，將網格文件導出為“liqiang.msh”。
進行了以上的步驟后，就可導入Fluent中進行計算和分析了
圖4-9
FLUENT是目前處于****地位的CFD軟件之一，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，廣泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和污染物運移等問題。
從本質上講，FLUENT只是一個求解器。FLUENT本身提供的主要功能包括導入網格模型、提供計算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、求解和后處理。所以本文采用FLUENT作為計算手段。下面將詳細介紹具體的步驟。
為了保證在FLUENT中計算的正確性，確保網格的正確是必要的。特別要注意控制臺窗口中的*小體積分數，為正才是正確的；如果為負，對應的網格就不能用于計算，需要再次修改網格。
讀入網格，點擊“Grid”-“Check”，控制臺窗口中的信息如圖4-10所示。可以看出，“minimum volume”的值為正，所以網格是合格的。
圖4-10
點擊“Grid”-“Scale”，在彈出的“Scale Grid”對話框的“Grid Was Created In”里選擇“mm”，單擊“Scale”完成。如圖4-11所示。
圖4-11
檢查網格以后，就要定義模型的類別和各種邊界條件，使計算收斂；如果計算不收斂，就需要不斷地修改、計算，直到收斂為止。
依次單擊“Define”-“Models”-“Solver”，彈出Solver對話框。
Fluent中提供了三種不同的求解方法：分離隱式解（Pressure Based，Implicit）、耦合隱式解（Density Based，Implicit）和耦合顯式解（Density Based，Explicit）。分離隱式解主要用于不可壓縮或壓縮性不強的流體流動。耦合求解方法用在高速可壓縮流動。本課題采用的氣體入口速度為15m/s，這個速度算低速，在低速下的氣體可以看作是不可壓縮的，所以這里選擇分離隱式解。其它的參數如下圖4-12所示。
圖4-12
在Fluent中，共有三種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文采用歐拉模型來模擬低速濃相懸浮輸送氣固兩相流，將顆粒相視為擬流體來建立模型。點擊“Define”-“Models”- “Multiphase”，彈出“Multiphase Model”對話框，設置如圖4-13所示。
圖4-13
因為要進行能量方程的計算，所以需要在“Define”-“Models”- “Energy”中選中能量方程復選框，如圖4-14所示。
圖4-14
本文選擇修正的k-epsilon兩方程模型進行模擬，壁面處選擇標準壁面函數進行模型修正。k-epsilon多相流模型選擇“Per Phase”，即紊流傳遞起重要作用時，為每一相求解一套k-epsilon方程。其它參數保持默認，如圖4-15。
圖4-15
這里只需定義顆粒材料，對于空氣，系統已經給出。點擊“Define”-“Materials”，在“Name”框中輸入“Solid”，在“Properties”里的“Density”選項里填入顆粒密度：1200(kg/m3)，點擊“Change/Create”，再彈出的對話框里選擇“No”，即不覆蓋空氣材料。完成后如圖4-16所示。
圖4-16
點擊“Define”-“Phase”，點擊“Phase-2”-“secondary-phase”-“Set…”，在彈出的對話框中將“Phase Material”設為“Solid”，即**相為顆粒相。選中“Granular”，輸入顆粒直徑0.0001m，顆粒粘度選擇“syamlal-obrien”（按 計算），顆粒體積粘度選擇“lun-et-al”（按 計算），其它保持默認值。完成后如圖4-17所示。
圖4-17
由于要考慮顆粒受到的重力作用，所以要加上重力加速度。點擊“Define”-“Operating Conditions”，在彈出的對話框中勾選“Gravity”項，在“Y”方向上填入重力加速度值9.8（也可以設置為-9.8，因為這兩個方向的改變相當于相對的參考系發生變化，理論上不會影響計算）。如圖4-18所示：
圖4-18
點擊“Define”-“Boundary Conditions…”，彈出“Boundary Conditions”對話框，“Zone”中為定義的各個邊界，“Type”中為要指定的邊界條件的類型，在“Phase”選項框中可以為每一項指定不同的邊界條件。
(1) 定義“fluid”為“fluid”。
(2) 定義“inlet”為“velocity-inlet”。定義氣相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase1”，在“Momentum”中，將進口速度設為15m/s。
圖4-19
(3) 定義顆粒相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase2”，在“Momentum”中，將進口速度設為14m/s（固相速度小于氣相）在“Granular Temperature”（顆粒溫度）中填入0.0002，如圖4-20所示。
圖4-20
(4) 定義“outlet”為“outflow”。
(5) 定義“wall”為“wall”。在“Roughness Height”中填入壁面粗糙度高度為0.0002m，“Roughness Constant”（壁面粗糙度系數）為0.5。如圖4-21所示。
圖4-21
定義完模型后，便可進入求解階段。點擊“Solve”-“Controls”-“Solution…”，打開“Solution Controls”（控制方案）對話框。在控制條件中，選擇“Pressure-Velocity Coupling”（壓力—速度耦合）下的“Phase Coupled SIMPLE”方法。在“Under-Relaxation Factors”（低松弛因子）下，將“Volume Fraction”（體積分數）和“Granular Temperature”（顆粒溫度）設為0.3，其余保持默認。在“Discretization”（離散化）中，選擇“Volume Fraction”的離散化方法為“QUICK”，其余都選擇“Second Order Upwind（二階迎風）”（這是為了增加計算的精度）。如圖4-22所示。
圖4-22
在迭代開始前，需要設置初始條件。這是為了給各個方程的變量提供初始值，以便進行迭代計算。初始值設置的好壞對于模型能否收斂有很大的影響。
點擊“Solve”-“Initialize”-“Initialize…”，打開初始值設置對話框。從“Compute From”下選擇進口（inlet）的各變量值作為初始條件，如圖4-23所示。
圖4-23
為了判斷所求問題的收斂性，需要監視殘差。當迭代過程中的殘差值低于所設置的某個值時，說明已經收斂，此時可以停止迭代；如果殘差值不能低于所設置的值時，說明模型的條件設置有錯，需要重新定義。
點擊“Solve”-“Monitors”-“Residual…”，在彈出的對話框中勾選“Plot”（即在圖形窗口中繪制殘差圖），計算結果要達到的殘差值保持默認，即當殘差為0.001時，計算收斂。其它值保持默認，如圖4-24所示。
圖4-24
點擊“Solve”-“Iterate…”，輸入迭代數1000（如收斂，便可停止迭代），其它保持默認，如圖4-25所示：
圖4-25
點擊“Iterate”開始迭代，迭代81步后殘差收斂，此時點擊“Cancel”停止迭代，如圖4-26，圖4-27所示：
圖4-26
圖4-27管夾閥,箍斷閥
迭代完成后，點擊“File”-“Write”-“Case&Date…”保存文件。然后便可進行一系列的后處理，以便進一步分析所得結果，了解模型各參數的變化情況，并參考相關文獻，判斷模型的正確性。
結果簡要分析與改進
上面FLUENT里面的設置的參數其實就是構造模型在以后仿真時的環境參數。接下來本文主要從壓損和速度方面來分析上敘的管道模型。壓損和速度兩方面是*能體現管道即將磨損的程度，當壓力損失增加時，由第三章或者有能量守恒知道，管道傳送顆粒的所要克服的阻力所做的功也隨之增加（即轉化為阻力能），這樣也就增加了顆粒與管道的磨損。當速度過大時，顆粒對管道在變截面時的沖擊力也隨之增加，從而增大了對管道制造材料的要求，在同種材料管道進行比較時，速度過大的管道磨損相對要嚴重的多。通過后處理，可以顯示出各種不同因素的變化曲線圖或云圖，來獲得相應的信息。常規模型的有關速度與壓力的計算結果如圖所示：
圖4-28速度矢量分布圖
圖4-29壓力分布圖
通過對圖中現象分析可知：
（1） 從速度分布圖上可以看出，顆粒流過管道時，出口速度有明顯增加現象。
（2） 從壓力分布圖上可以看出，顆粒流過管道時，壓力損失比較大。
改進后的模型：
圖4-30
圖4-31速度分布圖
圖4-32壓力分布圖
改進后的模型出口速度明顯減小，壓力損失也在減小。
`
改進
5.1原閥件的引入
一種由70％左右的煤粉，30％左右的水和添加劑混合制備而成的液體，可以象油一樣泵送、霧化、儲運，并可直接用于各種鍋爐、窯爐的燃燒。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環保節能優勢，對于在現實中出現的水煤漿閥關鍵部位構造三維圖形如下圖5-1，下面簡要對水煤漿閥的關鍵部位進行優化改進。
圖5-1
5.2通過GAMBIT建模并劃分網格
由于上敘模型為軸對稱圖形，接下來利用二維模型來建模和劃分網格如圖5-2所示
圖5-2
5.3結算結果及其分析
在FLUENT里面的設置與前所敘出糠機局部管道的設置相同，有關速度壓力方面的計算結果如下5-2，5-3，5-4，5-5：
圖5-3
圖5-4
圖5-5
改進后模型與結果如圖5-6，5-7，5-8，5-9：
圖5-6
圖5-7
圖5-8
圖5-9
表5-1改進前與改進后參數數值結果比較表
模型 出口平均流速(m/s) 壓力損失
（pa）
改進前 49.56711 8.386E5
改進后 35.63549 7.286E5
從表5-1的數值結果比較可知，在同樣進口的大小與速度的條件下，改進后模型和改進前模型的壓力損失相對變化不大，出口平均速度值有明顯減小。在所研究的上敘模型中，基本上是局部壓力損失，主要是因為管徑的變化而引起了流速的突然變化，在局部地區形成的死水區或旋渦，使得流體在此區域內并不參與主流流動，只是不斷的打旋，流體顆粒互相碰撞而產生能量損失，經過模型改進后管道內*小負壓值明顯降低了，進而磨損也就降低了。
20世紀90年代以來，大量的科技工作人員不斷地對氣力輸送系統進深入的研究，取得了一系列的成果，特別是在提高氣力輸送效率的關鍵科學問題：壓降，磨損等方面，成績尤為突出，R.PanJ.和Chambers提出氣力輸送系統中兩個主要問題：壓降和*小傳送條件，指出流動特性和散裝顆料原料的特性對這兩個參數的影響。而從本文得出的結論有：
（1）入口氣體速度越大，顆粒平均速度越大，顆粒速度分布越均勻；顆粒濃度分布越均勻，沉積在管底的顆粒越少；顆粒平均濃度越小；平均氣速越大，氣速分布越均勻；若入口氣速低于一定值，管道可能會發生堵塞。
（2）通過優化管道外形能使壓力損失減小與氣體顆粒出口速度的減少。
（3）變徑管道的優勢可用在閥類等關鍵部分的管道中，以減少能量損失與磨損。
經過半年的忙碌和工作，本次畢業設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師樓建勇與杜學文。
衷心感謝導師樓建勇教授兩年來的細心指導和大力支持，在我求學的過程中，樓老師給予了精心的指導以及無私的幫助。樓老師在學業上的教導，一言一行更使我受益終生。
杜老師也在百忙之中抽出時間給我們單獨輔導，使我在較短時間掌握思路與運用方法。
感謝所有被引用文獻的作者！
氣力輸送系統廣泛應用于原料的輸送、除塵等。由于所輸送的物料，如篩分車間輸送的固體顆粒及煙塵等，具有密度大、硬度高、尖銳角突出等特點，加之輸送介質速度高，氣力輸送管道尤其是管道彎頭的磨損情況十分嚴重，已經影響到工業生產的連續性和生產**。氣固兩相流關鍵部位的磨損問題的解決對節約原料有重大意義，是節能降耗的有力體現。
氣力輸送系統管道不僅應用范圍廣泛， 而且應用效果也非常顯著。 本課題在傳統的氣力輸送的基礎上對閥件關鍵部位的管道與普通管道做了比較，并對其進行了優化設計，在這同時借用Fluent軟件工具來模擬氣力輸送的管道系統，通過一些條件的設立得到結果，并將不同條件下的結果進行對比，來分析氣力輸送中存在的流動的不穩定因素、造成堵塞的機理以及減少磨損的方法。
本文中提出的是氣力輸送變截面管道， 通過參考書及其文獻指導建立了管道的模型，并應用fluent軟件得出了速度、壓力等一些實驗數據，其結果與實際數據的擬合程度有待進一步通過限制模型的假設條件來提高（因為我們在運用軟件時設置的參數與現實環境還是有不一樣的地方），這與運用數學對現實問題進行建模很有相似性，它們都有解決問題前的假設條件。
課題背景
隨著我國電力工業的飛速發展，不斷地興建大型火力發電廠，電廠的三廢排放問題也越來越突出，就拿粉煤灰的排放來說，一個總裝容量100萬千瓦的電廠，每小時要排放120噸左右的粉煤灰，而年排放量達到85萬噸。過去對粉煤灰的排放一般采用水沖灰排放方式，這不僅消耗大量的水資源、資金，而且增加環境污染，并且占用了大量的堆灰土地。隨著電廠的不斷興建和大型化，這些問題越來越突出。若氣力輸送成為電廠的主要輸灰系統，基本上不需要用水，就不會像水力除灰系統那樣對環境和水質造成污染，并可保證灰在輸送過程中不會發生化學變化，保持灰的原有特性，有利于灰渣綜合利用。近幾年來過內外科技工作者對氣力輸送系統的研究有了很大的發展，并把它應用在各種傳送機器中，其中不乏有米廠、電廠從各種優化方案中綜合考慮經濟環境經濟因素用到氣力輸送傳動。因此氣力輸送技術課題的研究有著廣泛的工程實際需要和重要的理論、實踐及經濟意義，具有廣闊的發展前景。管夾閥,箍斷閥
*早使用空氣輸送固體或液體的嘗試始于19世紀初期。1810年，Medhttrst首先提出了郵件氣力輸送的方案。1824年，Vallance建立了*早的氣力輸送實驗裝置。1861年，Rammell建成了**條筒式氣力輸送系統。但氣力輸送用于成件貨物的輸送則開始于19世紀60年代中期。1866年，氣力輸送技術正式用來輸送棉花和砂等散裝物料。*初，氣力輸送僅僅用于碼頭上的裝卸。限于當時的工藝技術水平，氣力輸送技術在很長的一段時間內幾乎沒有多大發展。直到1891年，英國密爾沃爾公司的工程師F．E．Dockham對氣力輸送系統進行了大量的改造，發明了可連續排出物料的負壓輸送裝置，氣力輸送技術才得到了極大的發展。這種負壓氣力輸送裝置特別受到糧食輸入國，如英國、荷蘭、德國等國家的重視，負壓氣力輸送也得N-f較大程度的普及。20世紀初氣力輸送裝置開始用于車間內部的物料輸送。此后，正壓氣力輸送裝置的研究也取得了較大的發展，到30年代左右在車間內部已被廣泛使用。20世紀70年代，日本學者久保輝一郎、水渡英，對粉體的力學特性和運動理淪進行了研究。仁漳其貞用流體力學和固體摩擦理論的方法，建立管道顆粒流動的運動模型。研究流場中單顆粒或有著相互作用的多穎粒運動，以及考察含有穎粒的流場本身可用來推測流場中有關的流動信息，如探討作用在顆粒上的合力和通過對流場平均得到的流變性質等。
氣力輸送技術在我國起步較晚，20世紀50年代末才開始有所研究，60年代以后，倉泵正壓氣力輸送技術開始在國內得到應用，進入80年代，許多電廠相繼引進了各種類型的除塵設備及相關技術。之后，氣力輸送相繼在水泥、冶金、**等行業得到了推廣和應用。1978年，中國科學院化工冶金研究的李洪鐘，就垂直氣力輸送壓強降計算方法進行了深入地研究陰。1980年，華東化工學院的楊倫對脈沖氣刀式栓流密相氣力輸送進行了研究。1990年上海海運學院的余達銀等對氣力輸送進行的優化設計，1992年，余洲生又對長距離水平輸送進行了有益的探討。1996年，清華大學的魏飛等就氣固并行系統中彌散顆粒混合行為進行了系統的研究。1998年，陳利東等對濃相氣力輸送的流型及穩定性判定進行了實驗研究，提出了一種檢測流型穩定性的方法。固體的氣力輸送代表了十九世紀工業的巨大革新之一經過一個多世紀的發展，目前，各種裝置形式越來越多，己有制造成套氣力輸送裝置的工廠，僅在美國，據不完全統計，這類工廠就有30多家。
氣力輸送系統分類與特點
氣力輸送系統的分類方法有很多，如按照料氣比分類、按照料氣兩相流體力學特征分類、按照料氣兩相運動特征分類、按照裝置特征分類等。主要分類有以下兩種:根據輸送裝置分類，其依據來自輸送管道中空氣壓力狀態:另一種是物料在管道中的流動狀態分類，其依據相圖、輸送管道中氣固流動狀態、單位時間的輸送量及料氣比。
(1).按輸送裝置特征,氣力輸送可以分為負壓式、正壓式及混合式三種。
(a)負壓輸送
負壓輸送系統是以輸送系統末端的引風裝置運轉時形成負壓與外界壓力差為動力的。由于壓力差的存在，外界空氣被吸入管道，同時物料隨空氣的運動而被帶入管道。到達終點后，物料從空氣中被分離出來并收集，空氣則經凈化后排入大氣或循環使用。負壓輸送系統多用于集中式輸送，即多點向一點輸送，如車間除塵、糧食入倉等。負壓輸送的優點在于能有效的收集物料，物料不會進入大氣，這對于有毒物料的氣力輸送尤其重要，但由于真空度的影響，其輸送距離受到一定限制，一般系統壓力降的限度是O．044MPaf71。
(b)正壓輸送管夾閥,箍斷閥
正壓輸送是*早使用的氣力輸送系統，也是氣力輸送的*基本形式。正壓輸送是利用系統起點的風機向輸送管道內通入壓縮空氣，利用管道起點與終點的壓力差，使空氣在管道內流動，并帶動物料運動的。正壓輸送系統中，物料由供料裝置送入輸送系統，在輸送終點，物料與空氣分離。與負壓氣力輸送系統相比，正壓輸送系統的輸送距離較長。正壓輸送系統適于分散輸送，即一點向多點輸送，在輸送管線中，物料可在任意卸料點依靠物料的重力與輸送介質實現分離。
(c)混和輸送系統
混和輸送系統是在同一輸送系統中將正壓輸送系統和負壓輸送系統聯用的一種輸送系統。混和輸送系統結合了正壓和負壓輸送系統的特點，因而可用于復雜的輸送條件。
(2) 按照料氣比，氣力輸送系統又可以分為稀相氣力輸送、濃相動壓氣力輸送、濃相靜壓氣力輸送和筒式氣力輸送。
(a)稀相氣力輸送
稀相氣力輸送的特點在于輸送系統內氣流速度高，物料呈懸浮狀態，空隙率大。物料的輸送主要依靠氣流速度的動能。稀相氣力輸送采用的速度通常為12～40m／s，料氣質量比一般為1～5，*大不超過15。
(b)濃相動壓氣力輸送
濃相動壓氣力輸送的氣流速度一般在8～15m／s之間。濃相動壓輸送中物料在管內呈密集狀態分布，依靠空氣的動能來輸送。這類氣送裝置有：高壓壓送、高真空吸送和流態化輸送。濃相動壓輸送的料氣比變化范圍很大，高壓壓送與高真空吸送的料氣比大致在15～50之間，流動狀態呈脈動集團流；而對于易充氣的粉料，料氣比高達200以上，呈流態化輸送。
(c)濃相靜壓氣力輸送
濃相靜壓氣力輸送中物料密集而栓塞管道，依靠氣流的靜壓來推送物料。濃相靜壓氣力輸送可分為柱流和栓流兩種：柱流氣力輸送：密集物料連續地充塞管道內而形成料柱，料柱運動速度低，一般為0．2--一2m／s，柱流氣力輸送僅適用于短距離輸送。栓流氣力輸送：人為地把料柱預先切割成較短的料柱，輸送時，氣栓與料栓相間分開。栓流氣力輸送適用于中距離輸送。
(d)筒式氣力輸送
筒式氣力輸送是預先將需要輸送的物料裝入傳輸筒或筒車內，利用空氣的靜壓使傳輸筒或筒車在管道內滑行的輸送方法，適用于既難于懸浮，而又無法成栓的成件貨物的輸送，如火車上單據、文件的輸送，郵局中信件的輸送等。
（1）優點
由于氣力輸送的輸送介質(一般為空氣)在多數情況下到終點后即排入大氣，沒有回程，因此與其它輸送技術相比具有以下優點：
(a)管道路線靈活，占地面積*小。可根據空間條件合理設計管道路線布局，不受場地和空間限制；
(b)不污染環境，也不受環境污染。由于被輸送物料全部通過管道輸送，與外界隔離，因此不會對外界環境造成污染，尤其是負壓輸送系統；物料不受環境的影響，特別是對于化學不穩定物料，可采用惰性氣體作為輸送介質實現物料的氣力輸送；
(c)輸送效率和自動化程度高。由于輸送系統中沒有機械傳動環節，因此不需要專人操作；
(d)可輸送距離長。可以通過分級輸送或采用混和輸送的方法延長管道輸送距離；
(e)輸送過程中可以通過定量分流來實現各工藝過程直接的銜接。
（2）缺點
(a)與其他散狀固體物料輸送設備相比，氣力輸送系統動力消耗較大，特
別是稀相氣力輸送系統。
(b)使用受到限制。氣力輸送系統只能用于輸送干燥、無磨琢性、有時還需要能自由流動的物料。如果成品不允許破碎，則脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相氣力輸送。除非是特殊設計，否則易吸潮、結塊的物料也不宜采用氣力輸送系統。易氧化的物料不宜用空氣輸送，但可以采用帶有氣體循環返回的惰性氣體來代替空氣；
(c)輸送距離受到限制。至目前為止，氣力輸送系統只能用于比較短的輸送距離，一般小于3000m，對較粘的物料則更短，例如炭黑，目前其輸送距離在2000m以內；
(d)物料特性如堆積密度、粒度、粒子強度、休止角、磨琢性等的微小變化，都能造成操作上的困難；
(e) 易磨損、易堵塞、高能耗。
管道中物料的流動狀態實際上復雜多變，物料顆粒有時會從氣流中分離出來，或者沉降在管底形成料團；或者黏附于管壁上并逐漸增厚。一旦在某個局部管段堆積的料團發展到充塞于整個管道戴向．而又滯留不動時，就會導致輸送過程完全停止。這種現象，我們稱為“堵塞”。
在輸送過程中經常會出現管道堵塞現象，這給濃相氣力輸送的應用帶來了諸多不便, 其原因主要有：系統參數設定的影響、氣源的影響、被輸送介質的影響、管道泄漏的影響、其它方面影響（如管道設計不合理等）。
為了防止堵管，要充分考慮各種因素對輸送性能的影響，保證輸送系統的*佳工作參數；輸送氣體做到清潔、干燥；定時清理輸送裝置和管道，定期進行管道的修理，防止發生滲漏等。一旦發現堵管現象可立即采用“反抽”的方法進行排堵。
磨損是指材料在使用過程中，由于表面受固體、液體或氣體的機械作用而引起材料的脫離或轉移而造成的損耗，但對于磨損的具體定義，目前還沒有定論，不同機構對磨損的定義不劇：
（1）英國機械工程師協會把磨損定義為“由于機械作用而造成的物體表面材料的逐漸損耗。
（2）前蘇聯克拉蓋爾斯基認為磨損是“由于摩擦結合力的反復擾動而造成的材料破壞。
（3）美國材料試驗學會(ASTM)標準關于磨損的定義是“由于物體表面且相接觸的物質問的相對運動造成的物體表面的損傷，還常有材料的逐漸損失。
（4）1979年修訂的Din50320將磨損定義為“磨損是一個物體由于機械的原因，即與另一個固體的、液體的或氣體的配對件發生接觸和相對運動，而造成的表面材料不斷損失的過程。
磨損是一個極為復雜的過程，其研究工作相對于摩擦要晚，20世紀50年代初期才開始在工業發達國家有“黏著磨損”理論的研究。20世紀60年代以后，由于分析測試手段(如電子顯微鏡、光譜儀、能譜儀、俄歇譜儀、電子衍射儀等)的迅猛發展和放射性同位素示蹤技術、鐵譜技術的大量應用，磨損研究在磨損力學、機理、失效分析等方面有了迅速發展。磨損的分類根據不同標準可有不同的分類方法，如按機制、按表面接觸性質、按環境和介質劃分等。從磨損的機制來分，磨損可分為黏著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損。
（1）黏著磨損。黏著磨損是在法向加載下，兩個相對滑動的表面在摩擦力的作用下，表面發生破裂，分子力的作用使兩個表面發生焊合，強度較高的材料表面黏附對摩件的金屬。黏著磨損一般可分為磨合階段、穩定磨損階段和加速磨損階段。
（2）磨料磨損。磨料磨損是由于硬顆粒或突起物在與摩擦副表面的相互接觸過程中，使材料產生遷移的現象。磨料磨損一般由多種磨損機理引起，而且隨著磨損條件的變化，會從一種磨損機理轉變為另一種磨損機理。
（3）腐蝕磨損。腐蝕磨損是一種考慮環境介質因素的磨損過程，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復雜磨損過程。
（4）疲勞磨損。疲勞磨損主要發生在承受周期性的接觸載荷或交變應力的零件表面上。疲勞磨損是兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度時，在表面層引發裂紋，并逐步擴展，*后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的過程。
（5）微動磨損。由于機械振動引起的緊密配合的零件接觸表面間產生的小幅的相對振動而產生的微動磨損。
（6）沖蝕磨損。沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時，表面出現破壞的一類磨損現象。這類磨損通常是由于流體或固體顆粒以一定速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的。沖蝕磨損所研究的松散顆粒一般小于1000p,m，沖擊速度在550m／s以內。磨損是一種普遍存在的現象，凡兩個物體相互接觸并有相對運動的表面都會發生磨損，磨損造成的危害和損失是十分驚人的。統計數據顯示：美國每年因磨損造成的經濟損失占其國民生產總值的4％；我國每年因摩擦磨損造成的經濟損失在1000億人民幣以上。現今世界能源消耗的l／3～1／2是因為摩擦和磨損造成的。從材料消耗的角度來說，約80％的機械設備失效是由磨損引起的。管夾閥,箍斷閥
我國有關部門的統計結果表明，僅在冶金礦山、建材、電力、煤炭和農機等5個行業中，因設備構件與沙土、礦石、水泥、煤炭等物料接觸導致的磨損所消耗的金屬材料達300萬t以上，磨損占生產成本相當大的比例，如礦山在碎礦、磨礦過程中所消耗的耐磨材料占其選礦成本的一半。張嗣偉教授在2004年我國工程院與國家自然科學基金委聯合召開的“摩擦學科與工程前沿研討會”上指出，中國每年由于摩擦、磨損損失584．7億元，而2003年**工礦企業在此方面的節約潛能約400億元。氣力輸送系統中管道的磨損是一種典型的沖蝕磨損，管線中的構件，特別是異型構件(如彎頭、三通、變徑管等)的沖蝕磨損是引起系統失效的主要原因之一，彎頭的磨損可高于直管的50倍。沖蝕磨損己經成為許多零件和設備材料破壞的原因之一，如空氣中的塵埃和砂粒如果浸入直升機發動機內，可降低其壽命的90％；火力發電廠粉煤灰鍋爐燃燒的尾氣對換熱器管路的沖蝕而造成破壞大致占管路破壞的1／3，其*小壽命只有16000h；煉鐵高爐返礦氣力輸送管道壽命有時僅有3個月；風機因沖蝕磨損而導致的停機停產在冶金行業中占風機故障的一半以上。
根據介質不同沖蝕磨損可分為兩大類：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動介質中攜帶的**相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅(氣泡)，從而對材料表面施加機械力。如果按流動介質及**相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類型。表1．2是沖蝕磨損分類及實例。表1-2沖蝕磨損分類及實例關于沖蝕磨損的研究，*早可以追溯到19世紀初。早在1807年，Young就曾著文討論了噴砂問題。*早在沖蝕磨損理論方面取得成果的是Finnietl 71，他在1958年提出了**個沖蝕理論—微觀切削理論，并提出了體積沖蝕率與入射角、粒子速度、靶材流出應力的關系式。此后，研究者相繼提出了多種沖蝕磨損理論和模型對材料的沖蝕行為進行解釋。但到目前為止，還沒有一種理論或模型能夠**的解釋不同材料的沖蝕問題。在現有的沖蝕理論中，較為研究者廣泛認同的有塑性材料的微觀切削理論、變形磨損理論、沖蝕脫層理論、鍛造擠壓理論、脆性材料的彈塑性壓痕破裂理論以及二次沖蝕理論。其中介紹單點沖蝕的切削模型如下：Hutchingsll91用高速攝影法觀察單個球形粒子及立方粒子以30。攻角沖擊金屬表面的情況，根據實驗結果提出犁削和兩種切削模型，見圖2-1。
圖2-1幾種典型沖蝕坑側切面示意圖
Hutchings只做了低攻角下的單顆粒實驗，其它的一些實驗觀察表明，多角粒子也不易出現上述典型情況。Budinski將單點沖蝕劃分為四類，如圖2-2;a)點坑型沖蝕，類似于硬度壓頭的對稱性菱錐體粒子正面沖擊造成的；
b)犁削，類似于犁對土地造成的溝，凹坑的長度大于寬度，材料被擠到溝；
c)鏟削，在凹坑末端堆積材料而鏟痕兩側幾乎不出現變形；
d)切片，凹坑淺，由粒子斜掠而造成的痕跡。
圖2-2沖蝕破壞的四種基本類型
a)點坑 b)犁削 c)鏟削 d)切片
影響氣力輸送管道沖蝕磨損的因素主要從粒子性質與輸送參數兩個方面考慮，如下的幾點就是這兩方面的各個體現。
（1）粒子粒度
粒子粒度對彎頭沖蝕磨損的影響與常規沖蝕磨損影響規律類似，即對于不同氣力輸送條件下的沖蝕磨損，粒徑都存在極限值。當粒子粒徑大于極限值時，磨損量趨于穩劇。研究表明沖蝕磨損率隨粒子粒度增大而迅速增大。
（2）粒子強度
粒子強度主要是影響粒子在輸送過程中的破碎難度與破碎率，以及由此引起的二次磨損。在氣力輸送特別是稀相氣力輸送條件下，被輸送物料的平均粒徑隨經過彎頭數量的增加而呈減小的趨勢。這種粒徑減小的趨勢越明顯，相應材料對彎頭造成的沖蝕磨損率越高，也就是說，粒子在輸送過程中越容易破碎，則其產生的沖蝕磨損率越高，
（3）粒子形狀
粒子形狀對沖蝕磨損的影響主要體現為其對磨損機理的影響。粒子沖擊靶材時，粒子與靶材的接觸面積決定了兩者之間作用強度。尖角形粒子對塑性材料表面的沖蝕多為切削型磨損，球形粒子沖蝕所產生的磨損主要表現為塑性變形磨損。
（4）輸送速度
介質速度是影響沖蝕磨損率的*大因素，這也是本文討論的核心之一。管夾閥,箍斷閥
（5）物料濃度
隨著粒子濃度的增大，彎頭的總質量損失降低，即單位質量粒子造成的沖
蝕磨損量降低，由于懸浮濃度的增大，粒子間撞擊的幾率也增大，撞擊管壁的粒子動能降低。
（6）沖擊角
沖擊角是指入射粒子軌跡與靶材表面之間的夾角。沖擊角的不同主要影響了粒子沖擊靶材時動能的切向和法向分量，以及在沖擊過程中的能量消耗。對于沖擊粒子來說，動能切向分量是產生切削，而法向分量則是影響粒子壓入靶材表面的深度，兩者共同決定著磨損量。
為了減少磨損對生產造成的影響，工業上采取了多種措施來降低氣力輸送管道的磨損，延長管道的使用壽命， 對于管道外形的優化設計和材料優選都是比較好的減磨方法。本課題主要從管道外形的優化設計方面來考慮以期達到減磨的目的。由于影響氣力輸送管道磨損的因素很多，本文著重在壓力損失與氣體、顆粒的出口速度方面通過管道變徑的優勢來研究磨損問題。實驗表明管道的變徑后的管道可以減少壓損與氣體、顆粒的出口速度。**章主要建立了壓力損失的模型。
料氣輸送比,通常指他們的重量或者質量流量比,即流過管道截面的物料與空氣的流量比,簡稱混合比,可表示如下：
式中 為空氣流量( )
為物料流量或輸送量( )
物料在垂直管道中處于懸浮狀態,是氣力輸送的特點.其機理可做如下闡釋：如果氣流的上升速度 等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度 時,物料就會懸浮在氣流中,這樣便具備了氣力輸送的基本條件。此時氣流速度稱為該物料的懸浮速度 。
空氣流量由輸送量(物料)與混合比的關系算出以后,一旦選定管內氣流速度,便可以計算輸送管徑,因而氣流速度是氣力輸送中的一個重要參量。但是由于物料占據了管道一定的截面,而管道的截面積為,則空氣通過凈面積的真實速度要比氣流速度要高。氣流的真實速度總是大于氣流的視在速度。當管道某一截面上物料增多時,物料占據的面積增加,從而使氣速增加,物料便自動加速。
在氣力輸送系統中摩擦系數包括空氣流動摩擦系數 與物料流動摩擦系數 。管道內的壓力損失計算是氣力輸送計算的關鍵，它是確定輸送壓力、空氣量、管道直徑等輸送系統參量的必需手段，是氣力輸送計算方法的核心。在計算管道沿程壓力損失中，通常要算及氣流的壓力損失與物料流動的壓力損失，這兩者壓力損失之和是整個沿程壓力損失的主要部分。理論與實驗都證明，物料流動的壓力損失占整個氣力輸送壓力損失的大部分，所以對于物料流動的摩擦系數選取尤其重要。
如圖3-1所示,假設物料的運動速度為 ,在 時間內移動 距離,則 = / ,若單位時間內的輸送物料的流量為 ,則 時間內輸送距離便可寫成:
圖3-1管道內物料運動示意圖
在 物料中，有著三個作用力，三個作用力的總和決定物料的運動方程，下面逐一敘述：
（1）物料顆粒與管壁間的摩擦和顆粒相互間碰撞的阻力；物料在管道中運行時，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動快的顆粒相撞，又發生運動量的交換，較快的顆粒減慢，而較慢的顆粒卻加快。這種過程類似空氣在管道中做紊流運動時的情形。
對于氣流做湍流流動時，所引起的管壁的摩擦力計算公式由參考書可查到：
其中： 為空氣對管壁的摩擦剪應力：
為微小單元管長
為管道直徑
物料對管壁摩擦時，由于物料顆粒在輸送管中的運動極為復雜，因此要確切地表示顆粒所受的管壁作用力是相當困難的。但是可以近似地把物料顆粒在管道截面均勻分布的情形仿照氣體湍流時的情形來表示。去輸送段的微小單元長，在這單元體積內具有的物料量，則物料與管壁的摩擦阻力為：
（2—1）
其中： 為管壁對物料的摩擦剪應力
對比并近似對照氣體在管道流動摩擦壓損理論
代入可得：
（2）氣流對顆粒的粘性阻力
（2—2）
式中K為系數
當Ret<1時,K=1管夾閥,箍斷閥
當Ret=1~500時,K=0.5
當Ret>500時,K=0(其中Ret為顆粒雷諾數)
（3）由重力引起的阻力
重力所引起的阻力不僅要使物料懸浮在管道中，而且還要提升物料。物料提升 所需的空氣推力為
（2—3）
式中 為重力引起的壓損
根據重力理論，欲使顆粒懸浮和提升所需的能量，應等于空氣消耗的能量，若物料以速度通過管長所需的時間為 ，物料的懸浮速度為 ，則單位時間懸浮物料所需能量為 ，另外，單位時間物料提升高度所需能量為 ，則有：
（2—4）
式中 為空氣體積流量
把（2—4）代入到（2—3）得：
（2—5）
（4）物料運動方程
物料量的運動方程為
（2—6）
把（2—1）、（2—2）、（2—3）代入（2—6）得
（2—7）
（1）壓力損失的概念
在氣力輸送過程中，物料輸送所需要的能量是通過空氣壓力的降低來給予的，這個空氣壓力的降低通常稱之為壓力損失，也即從管道的進口（inlet）到出口（outlet）的壓力的降低。有關物料輸送的壓力損失的計算方式大致可以分為均布理論，重力理論和能量理論。
(a)均布理論
均布理論的假定：物料顆粒在水平管道截面上是均勻分布的，物料運動速度與空氣運動的速度是相同的，從而物料的運動阻力與純空氣運動的阻力相似，只考慮物料運動的摩擦壓損。
(b)重力理論
重力理論認為：物料運動壓損不僅考慮摩擦阻力，而且還應考慮物料重力壓損。因此，重力理論假定：鉛垂直管道中物料運動的速度低于空氣運動速度，其差值等于顆粒的懸浮速度.
因此，要使顆粒懸浮所需的能量，應等于空氣所消耗的能量。重力理論還認為：在水平管道中懸浮物料所需的能量近似地等于鉛垂直管道中懸浮物料所需的能量。
(c)能量理論
能量理論認為，氣固兩相流運動中，物料顆粒的水平管道截面中大多數情況下并不是均勻分布的，物料的速度低于空氣運動的速度。它依靠空氣和物料運動的速度差產生的作用力傳遞能量，使物料顆粒保持懸浮，并克服顆粒與管壁、以及顆粒彼此之間的沖擊和摩擦阻力。
（2）壓力損失的計算
根據能量理論，氣力輸送的壓力損失包括加速損失，重力引起的壓力損失。
(a)加速損失
設物料的加速損失為 ，則在管道截面 上作用在物料上的加速力為 ，在這個加速力的作用下，物料速度從 加速到 1，根據動量定律可寫為：
由上式變形得：
所以：
設純空氣的加速度壓損為 ,同理可根據動量定律得：
所以：
根據以上的推導,得到加速引起壓力損失的表達式：
(b)摩擦損失
物料在管道中運動時，飛翔顆粒撞擊管壁，損失能量而速度降低；再與其他運動比較快的顆粒相互撞擊，又發生運動量的交換，比較快的顆粒減慢；而比較慢的顆粒卻加快。上節提出單位質量顆粒在運動中所受到的顆粒與管壁的摩擦以及顆粒相互間碰撞的阻力為
那么此阻力引起的空氣壓損
將代入得
(c)重力引起的壓力損失
根據重力理論,要使顆粒懸浮和提升所需的能量,應等于空氣所消耗的能量.由以上知重力所引起的阻力 如下所示：
則克服重力 所引起的壓力損失 為對于閥類關鍵部位的設計我借助了變徑管道的相關研究理論,一般在設計氣力輸送管道時由于輸送過程中空氣能量不斷損耗，壓力沿輸送長度逐漸降低，這樣，氣體密度下降，空氣產生膨脹，氣流速度加快。相應導致系統壓力損失增加，管道磨損加劇，物料破碎嚴重。因此，為解決這些問題，可以把輸送管道設計成變徑管道，使每一管徑區段內，在保證可靠輸送的情況下，氣流速度穩定在一定的范圍內。
設計變徑管道系統時，應遵循的變徑原則是：壓力盡量低，變徑管道的任一處的空氣速度不能低于系統可靠輸送的*小速度，既滿足如下約條件：
據資料表明，Wypych以煤粉為例對變徑管進行實驗研究，輸送量24t／h，輸送距離1800 m時，可以采用Fmb=6，足以滿足輸送極限。數據如表1所示。
由試驗數據可知，在相同的入口流速下，當輸送管后段直變大后，流速隨之下降。比較表中3組數據，單一管徑(127mm)輸送時，壓降595kPa，出口流速達到46．1m／s；采用**變徑管(在683m處變徑為管徑154mm)輸送時，壓降為458kPa，壓損減少137kPa；而采取第3組數據輸送時，料氣比*大，出口氣速、壓損和耗氣量都*小。可見采用二級變徑(第3組數據)*有利于輸送。
很明顯通過變徑處理后，該氣力輸送管道的壓損、出口氣速、耗氣量的減小，所以接下來本文將上敘的理論應用到關鍵部位改進當中。
有一小型出糠機局部管道的進口（inlet）速度要求為10 ，其改進前的尺寸如下圖4-1所示：
圖4-1
建模
Gambit是一個集建模、劃分網格、定義邊界條件為一體的計算流體力學（CFD）軟件，它廣泛地應用在CFD及其它科學工程領域，具有友好的GUI界面和可操作性，逐漸成為了****的專用前處理軟件。將Gambit生成的網格信息導入Fluent中，便可進行后續的計算及分析。Gambit的操作步驟分為3步：構造幾何模型、劃分網格、指定邊界類型和區域類型。完成3個步驟后，將帶有邊界信息的網格模型存盤（文件擴展名為*.dbs）或輸出為專門的網格文件（*.msh），供CFD求解器讀取。下面將詳細介紹。
對于Gambit的構建幾何圖形有好多方法，如將其他如CAD、PRO/E、UG等軟件構造好的圖形導入到Gambit中，還有就是Gambit自帶的三維、二維設計工具，但復雜圖形還是用其他軟件做好再導入比較方便，Gambit主要功能還是在劃分網格上。本文都是先用CAD軟件先建好二維模型，然后到Gambit中建成三維再劃分網格或者直接將CAD軟件建好的二維圖形導入Gambit劃分網格。
（1）打開Gambit, 新建一個名為“liqiang”的新文件。如下圖4-2所示：
管夾閥,箍斷閥
圖4-2
（2）在CAD創建圖4.1所示的左示圖，由于Gambit中的圖形在劃分網格必須是面或者是體（道理很簡單，因為我們制造的管道在FLUENT中模擬時是作為管道內流體所組成的輪廓），所以在CAD中按住Region(面域)命令框選中圖形從而創建出一個域，然后再框選出已經做好的域輸出在所要存放的硬盤中去,其中要輸出的圖形保存時必須為“sat“為后綴的類型。完成好上面的步驟后再從Gambit中導入（import）后得到如下圖4-3所示：
圖4-3
（3）在Operation中依次選擇Geometry>Sweep Face,在Sweep Face中的path中選擇vector點擊Magnitude并且在其中輸入300如圖4-4。然后在Sweep Face中的Faces中選擇Face1,完成以后再按Apply將得到圖4-5：
圖4-4
圖4-5
正確地劃分網格是非常重要的，只有這樣，才能在Fluent中正確地分析流場，得到比較正確的結果。
(1) 劃分體網格。
依次點擊圖4-6中的按鈕，彈出“Mesh Volumes”對話框，選擇視窗中的管道，在“Interval size”里填40（不需要很小的網格，只要能比較正確地模擬就可以了，太小的網格計算量太大），其它選項接受默認，如圖4-7所示。劃分后的網格見圖4-8：
圖4-6 圖4-7
圖4-8
劃分了網格后，需要進行邊界條件的定義。正確地描述問題，就需要正確地定義邊界條件（這里的邊界條件可在Fluent中修改）。
(1) 定義入口為速度入口（VELOCITY_INLET）。
選擇Operation——Zones，彈出“Specify Boundary Types”對話框。在“Entity”中選擇“Faces”，然后選擇在“Name”中填入入口的名字“inlet”，在“Type”中選擇“VELOCITY_INLET”，點擊“Apply”確認，就完成了速度入口的定義。
(2) 定義出口為流動出口（OUTFLOW）。
依照上面的方法將另一底面定義為OUTFLOW，命名為“outflow”。
(3) 定義壁面為壁面（WALL）。
只要定義好進口出口，其他面默認為壁面，所以不用設置。結果如圖4-9所示。
依次點擊“File”-“Export”-“Mesh”，將網格文件導出為“liqiang.msh”。
進行了以上的步驟后，就可導入Fluent中進行計算和分析了
圖4-9
FLUENT是目前處于****地位的CFD軟件之一，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，廣泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和污染物運移等問題。
從本質上講，FLUENT只是一個求解器。FLUENT本身提供的主要功能包括導入網格模型、提供計算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、求解和后處理。所以本文采用FLUENT作為計算手段。下面將詳細介紹具體的步驟。
為了保證在FLUENT中計算的正確性，確保網格的正確是必要的。特別要注意控制臺窗口中的*小體積分數，為正才是正確的；如果為負，對應的網格就不能用于計算，需要再次修改網格。
讀入網格，點擊“Grid”-“Check”，控制臺窗口中的信息如圖4-10所示。可以看出，“minimum volume”的值為正，所以網格是合格的。
圖4-10
點擊“Grid”-“Scale”，在彈出的“Scale Grid”對話框的“Grid Was Created In”里選擇“mm”，單擊“Scale”完成。如圖4-11所示。
圖4-11
檢查網格以后，就要定義模型的類別和各種邊界條件，使計算收斂；如果計算不收斂，就需要不斷地修改、計算，直到收斂為止。
依次單擊“Define”-“Models”-“Solver”，彈出Solver對話框。
Fluent中提供了三種不同的求解方法：分離隱式解（Pressure Based，Implicit）、耦合隱式解（Density Based，Implicit）和耦合顯式解（Density Based，Explicit）。分離隱式解主要用于不可壓縮或壓縮性不強的流體流動。耦合求解方法用在高速可壓縮流動。本課題采用的氣體入口速度為15m/s，這個速度算低速，在低速下的氣體可以看作是不可壓縮的，所以這里選擇分離隱式解。其它的參數如下圖4-12所示。
圖4-12
在Fluent中，共有三種歐拉-歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture）模型和歐拉（Eulerian）模型。本文采用歐拉模型來模擬低速濃相懸浮輸送氣固兩相流，將顆粒相視為擬流體來建立模型。點擊“Define”-“Models”- “Multiphase”，彈出“Multiphase Model”對話框，設置如圖4-13所示。
圖4-13
因為要進行能量方程的計算，所以需要在“Define”-“Models”- “Energy”中選中能量方程復選框，如圖4-14所示。
圖4-14
本文選擇修正的k-epsilon兩方程模型進行模擬，壁面處選擇標準壁面函數進行模型修正。k-epsilon多相流模型選擇“Per Phase”，即紊流傳遞起重要作用時，為每一相求解一套k-epsilon方程。其它參數保持默認，如圖4-15。
圖4-15
這里只需定義顆粒材料，對于空氣，系統已經給出。點擊“Define”-“Materials”，在“Name”框中輸入“Solid”，在“Properties”里的“Density”選項里填入顆粒密度：1200(kg/m3)，點擊“Change/Create”，再彈出的對話框里選擇“No”，即不覆蓋空氣材料。完成后如圖4-16所示。
圖4-16
點擊“Define”-“Phase”，點擊“Phase-2”-“secondary-phase”-“Set…”，在彈出的對話框中將“Phase Material”設為“Solid”，即**相為顆粒相。選中“Granular”，輸入顆粒直徑0.0001m，顆粒粘度選擇“syamlal-obrien”（按 計算），顆粒體積粘度選擇“lun-et-al”（按 計算），其它保持默認值。完成后如圖4-17所示。
圖4-17
由于要考慮顆粒受到的重力作用，所以要加上重力加速度。點擊“Define”-“Operating Conditions”，在彈出的對話框中勾選“Gravity”項，在“Y”方向上填入重力加速度值9.8（也可以設置為-9.8，因為這兩個方向的改變相當于相對的參考系發生變化，理論上不會影響計算）。如圖4-18所示：
圖4-18
點擊“Define”-“Boundary Conditions…”，彈出“Boundary Conditions”對話框，“Zone”中為定義的各個邊界，“Type”中為要指定的邊界條件的類型，在“Phase”選項框中可以為每一項指定不同的邊界條件。
(1) 定義“fluid”為“fluid”。
(2) 定義“inlet”為“velocity-inlet”。定義氣相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase1”，在“Momentum”中，將進口速度設為15m/s。
圖4-19
(3) 定義顆粒相速度入口條件：選擇“inlet-velocityinlet-phase2”，在“Momentum”中，將進口速度設為14m/s（固相速度小于氣相）在“Granular Temperature”（顆粒溫度）中填入0.0002，如圖4-20所示。
圖4-20
(4) 定義“outlet”為“outflow”。
(5) 定義“wall”為“wall”。在“Roughness Height”中填入壁面粗糙度高度為0.0002m，“Roughness Constant”（壁面粗糙度系數）為0.5。如圖4-21所示。
圖4-21
定義完模型后，便可進入求解階段。點擊“Solve”-“Controls”-“Solution…”，打開“Solution Controls”（控制方案）對話框。在控制條件中，選擇“Pressure-Velocity Coupling”（壓力—速度耦合）下的“Phase Coupled SIMPLE”方法。在“Under-Relaxation Factors”（低松弛因子）下，將“Volume Fraction”（體積分數）和“Granular Temperature”（顆粒溫度）設為0.3，其余保持默認。在“Discretization”（離散化）中，選擇“Volume Fraction”的離散化方法為“QUICK”，其余都選擇“Second Order Upwind（二階迎風）”（這是為了增加計算的精度）。如圖4-22所示。
圖4-22
在迭代開始前，需要設置初始條件。這是為了給各個方程的變量提供初始值，以便進行迭代計算。初始值設置的好壞對于模型能否收斂有很大的影響。
點擊“Solve”-“Initialize”-“Initialize…”，打開初始值設置對話框。從“Compute From”下選擇進口（inlet）的各變量值作為初始條件，如圖4-23所示。
圖4-23
為了判斷所求問題的收斂性，需要監視殘差。當迭代過程中的殘差值低于所設置的某個值時，說明已經收斂，此時可以停止迭代；如果殘差值不能低于所設置的值時，說明模型的條件設置有錯，需要重新定義。
點擊“Solve”-“Monitors”-“Residual…”，在彈出的對話框中勾選“Plot”（即在圖形窗口中繪制殘差圖），計算結果要達到的殘差值保持默認，即當殘差為0.001時，計算收斂。其它值保持默認，如圖4-24所示。
圖4-24
點擊“Solve”-“Iterate…”，輸入迭代數1000（如收斂，便可停止迭代），其它保持默認，如圖4-25所示：
圖4-25
點擊“Iterate”開始迭代，迭代81步后殘差收斂，此時點擊“Cancel”停止迭代，如圖4-26，圖4-27所示：
圖4-26
圖4-27管夾閥,箍斷閥
迭代完成后，點擊“File”-“Write”-“Case&Date…”保存文件。然后便可進行一系列的后處理，以便進一步分析所得結果，了解模型各參數的變化情況，并參考相關文獻，判斷模型的正確性。
結果簡要分析與改進
上面FLUENT里面的設置的參數其實就是構造模型在以后仿真時的環境參數。接下來本文主要從壓損和速度方面來分析上敘的管道模型。壓損和速度兩方面是*能體現管道即將磨損的程度，當壓力損失增加時，由第三章或者有能量守恒知道，管道傳送顆粒的所要克服的阻力所做的功也隨之增加（即轉化為阻力能），這樣也就增加了顆粒與管道的磨損。當速度過大時，顆粒對管道在變截面時的沖擊力也隨之增加，從而增大了對管道制造材料的要求，在同種材料管道進行比較時，速度過大的管道磨損相對要嚴重的多。通過后處理，可以顯示出各種不同因素的變化曲線圖或云圖，來獲得相應的信息。常規模型的有關速度與壓力的計算結果如圖所示：
圖4-28速度矢量分布圖
圖4-29壓力分布圖
通過對圖中現象分析可知：
（1） 從速度分布圖上可以看出，顆粒流過管道時，出口速度有明顯增加現象。
（2） 從壓力分布圖上可以看出，顆粒流過管道時，壓力損失比較大。
改進后的模型：
圖4-30
圖4-31速度分布圖
圖4-32壓力分布圖
改進后的模型出口速度明顯減小，壓力損失也在減小。
`
改進
5.1原閥件的引入
一種由70％左右的煤粉，30％左右的水和添加劑混合制備而成的液體，可以象油一樣泵送、霧化、儲運，并可直接用于各種鍋爐、窯爐的燃燒。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環保節能優勢，對于在現實中出現的水煤漿閥關鍵部位構造三維圖形如下圖5-1，下面簡要對水煤漿閥的關鍵部位進行優化改進。
圖5-1
5.2通過GAMBIT建模并劃分網格
由于上敘模型為軸對稱圖形，接下來利用二維模型來建模和劃分網格如圖5-2所示
圖5-2
5.3結算結果及其分析
在FLUENT里面的設置與前所敘出糠機局部管道的設置相同，有關速度壓力方面的計算結果如下5-2，5-3，5-4，5-5：
圖5-3
圖5-4
圖5-5
改進后模型與結果如圖5-6，5-7，5-8，5-9：
圖5-6
圖5-7
圖5-8
圖5-9
表5-1改進前與改進后參數數值結果比較表
模型 出口平均流速(m/s) 壓力損失
（pa）
改進前 49.56711 8.386E5
改進后 35.63549 7.286E5
從表5-1的數值結果比較可知，在同樣進口的大小與速度的條件下，改進后模型和改進前模型的壓力損失相對變化不大，出口平均速度值有明顯減小。在所研究的上敘模型中，基本上是局部壓力損失，主要是因為管徑的變化而引起了流速的突然變化，在局部地區形成的死水區或旋渦，使得流體在此區域內并不參與主流流動，只是不斷的打旋，流體顆粒互相碰撞而產生能量損失，經過模型改進后管道內*小負壓值明顯降低了，進而磨損也就降低了。
20世紀90年代以來，大量的科技工作人員不斷地對氣力輸送系統進深入的研究，取得了一系列的成果，特別是在提高氣力輸送效率的關鍵科學問題：壓降，磨損等方面，成績尤為突出，R.PanJ.和Chambers提出氣力輸送系統中兩個主要問題：壓降和*小傳送條件，指出流動特性和散裝顆料原料的特性對這兩個參數的影響。而從本文得出的結論有：
（1）入口氣體速度越大，顆粒平均速度越大，顆粒速度分布越均勻；顆粒濃度分布越均勻，沉積在管底的顆粒越少；顆粒平均濃度越小；平均氣速越大，氣速分布越均勻；若入口氣速低于一定值，管道可能會發生堵塞。
（2）通過優化管道外形能使壓力損失減小與氣體顆粒出口速度的減少。
（3）變徑管道的優勢可用在閥類等關鍵部分的管道中，以減少能量損失與磨損。
經過半年的忙碌和工作，本次畢業設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師樓建勇與杜學文。
衷心感謝導師樓建勇教授兩年來的細心指導和大力支持，在我求學的過程中，樓老師給予了精心的指導以及無私的幫助。樓老師在學業上的教導，一言一行更使我受益終生。
杜老師也在百忙之中抽出時間給我們單獨輔導，使我在較短時間掌握思路與運用方法。
感謝所有被引用文獻的作者！