插板阀启闭过程中气体介质流动特性的模拟试验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学力学系 作者:陈丽华

  对气力输送系统中出料阀附近三维管道中的气固两相流动进行了数值模拟,结果表明,在阀门开关的过程中,阀门附近管道的气流场比较复杂,在阀门后区域有明显的旋涡存在,在一些开度下甚至有二涡结构。在阀门开度较大的情况下,粒子对管壁的碰撞较少,随着阀门开度的减小,粒子与阀门和管壁之间的碰撞次数增多。不同粒径的粒子与阀门和管道的碰撞情况也不同,粒径为50um的粒子碰撞次数最少,而小于50um的粒子随着粒径减小碰撞次数增加,大于50um的粒子随着粒径增加碰撞次数增加。

引言

  气力输送方法广泛地应用于各工业领域,如火电厂的除尘系统等。气力输送系统关键在于气密性、供料法和料气的快速混合切割及形成快速移动输送。在气力输送系统的运行过程中,高能的气固两相流会对接触面产生冲蚀,其中的固体颗粒在接触面上形成沟痕,引起阀门泄漏,会大大影响设备运行的安全性,缩短设备的使用寿命,并造成巨大的经济损失。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对气力输送系统的阀门中气固两相流动进行研究具有重要意义。插板阀因为无论在关闭还是开启状态,都有较好的密封性能,因此在气力输送系统中作为出料阀获得日益广泛的关注和使用,本文即以此作为主要的研究对象,采用欧拉/拉格朗日方法对插板阀开关过程中阀门附近流道内的气固两相流动进行了数值模拟,得到了不同

  阀门开度下的气固两相流动特性。

2、数值计算模型

  阀门开度C定义为阀门开启时的通流截面积A除以流道总截面积A0,即

C=A/A0

2.1、气相流场计算模型

  图1(a)为数值计算的几何模型,其中阴影部分代表阀瓣占据的区域,流动由左向右,假设在阀门不同开度下,管道内的流动为充分发展的稳定的三维湍流流动,其通用控制方程可写为

插板阀启闭过程中气体介质流动特性的模拟试验

  20um的粒子在通过阀门时,由于阀门附近气流场速度提高,易与阀门附近上部管壁碰撞,且碰撞后在靠近壁面的附近运动,从而使20um的粒子大多在管道上半部运动。50um的粒子通过阀门时,由于质量增加,惯性变大,粒子入口位置开始明显影响粒子的运动轨迹。入口位置在管道上部的粒子与管壁和阀门的碰撞次数较少,甚至不碰撞而直接通过管道。入口位置在管道下部的粒子对阀门产生冲击且与阀门附近的管壁上部有碰撞现象。100um粒子的这种现象更明显。入口位置在管道下部的粒子,在通过阀门后开始沿管壁作连续碰撞至出口,轨迹成螺旋状,粒子对阀门后的管道各个部分的管壁都产生频繁的碰撞。入口位置在管道上部的150um粒子几乎不受阀门处气流场变化的影响,快速通过整段管道,其轨迹仅因重力作用而向下偏移。入口位置在管道中下部的150um粒子由于其较大的重力和阀门前管道底部的低速区作用在阀门和管壁之间会发生连续碰撞,从其冲击阀门后较长的反弹轨迹说明,150um粒子冲击阀门的能量较大,粒子在通过阀门后沿管壁连续碰撞,轨迹成螺旋状前进。

4、结语

  通过采用欧拉/拉格朗日方法对气力输送系统中的一种出料阀-插板阀附近三维管道中的气固两相流动进行数值模拟,得到了从不同位置进入的不同粒径粒子在不同阀门开度下的运动轨迹。结果表明,在阀门开关的过程中,阀门附近管道的气流场比较复杂,在阀门后区域有明显的旋涡存在,在一些开度下甚至有双回流区,这对粒子在管道中的运动有较大影响。在阀门开度较大的情况下,粒子对管壁的碰撞较少,随着阀门开度的减小,粒子与阀门、管壁之间的碰撞次数增多,特别是从管道下半部进入的粒子,往往要与阀门和管道经过几次碰撞后才能通过。不同粒径的粒子与阀门和管道的碰撞情况也不同,计算发现粒径为50um粒子的碰撞次数最少,小于50um的粒子随着粒径减小碰撞次数增加,大于50um的粒子随着粒径增加碰撞次数增加。

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