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砂丘模型在气力输送粒子运动特性分析中的应用
谢春娥 崔玉伟 2022/5/27 7:35:13
（南京艾尔康威物料输送系统有限公司，江苏 南京 211113）
摘要：为了改善气力输送粒子运动性能，选择砂丘模型作为研究工具，设计该模型在管道正压气力输送装置中的不同应用工况。其中，模型角度及各项尺寸参数保持不变，以模型安装位置为变量。综合分析粒子输送压力损失、粒子速度性能、速度脉动强度性能实验测试结果，砂丘模型在装置中的安装起到了很大的节能作用，建议选择工况1作为安装方案。
关键词：砂丘模型；粒子输送；PIV系统
气力输送作为工业生产过程中的主要物料输送模式，在建材、冶金、电力、化工等行业均有所应用[1]。由于该输送模式耗能较多，想要拓宽其应用范围，控制物料输送成本，需要对其物料输送性能进行改进。传统的输送系统通过提高空气速度来完成物料输送操作，然而这种作业模式不仅对管道造成了严重磨损，而且能力利用率也比较低，存在部分物料破损情况[2]。为了弥补传统输送系统存在的不足，国内外研究学者尝试提出砂丘模型。该模型虽然能够在一定程度减少能量损失，但是如何进一步改善物料颗粒输送性能成为了难题[3]。本文引入PIV技术，构建砂丘模型，以物料颗粒速度脉动能量作为研究突破口，尝试对颗粒运动特征进行分析，以选择砂丘模型在气力输送中应用的最佳方案。
1 砂丘模型
通过整理大量文献资料，提取文献【4】和文献【5】的设计思想，构建砂丘模型，如图1所示。
（a）砂丘角度及各项尺寸参数 （b）砂丘粒子入口及流向
图1 砂丘模型
该模型的主要材料为黏土，关于角度及各项尺寸参数的设置，本研究在很多研究成果基础上进行了调整，针对参数影响分析结论，大胆提出新的模型构建方法，并对其应用工况进行设置，探究不同工况应用条件下的物料粒子输送运动特性。其中，砂丘模型的安装位置是变量，观察不同位置安装条件下物料粒子速度分布情况，从中得出实验结论。
工况1：将砂丘模型安装在物料进口下方，物料进入输送管道时，大部分物料直接与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
工况2：将砂丘模型安装在物料进口左下方，与进口处保持约为1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，大部分物料进入管道后与其发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
工况3：将砂丘模型安装物料进口左上方，与进口处保持约为1个模型长度的距离，物料进入输送管道时，不会直接与砂丘模型发生撞击，物料进入管道后少部分与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控，沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
2 实验设计
2.1 实验装置与材料
本实验选取水平管正压气力输送系统作为实验装置，利用该装置输送物料粒子，同时检测粒子运动性能。如图1所示为装置结构。
图2 管道正压气力输送装置结构
该装置主要由压力传感器1、压力传感器2、送料管、分离器、回料管、出料阀、储料仓、流量计、风机A、回料仓、风机B组成。装置总长度为5m，内径80mm。
本次实验选取聚乙烯颗粒作为实验材料，该材料属于固相物料，粒径3.3mm，最终速度8.6m/s，密度952kg/m3。装置作业期间，设置物料质量流量0.45kg/s，同时控制物料输送速度，上限值为16.5m/s，下限值为10m/s。通过检测物料粒子在装置中的运动状态信息，对其输送速度加以控制，使其得以保持在固定范围内完成输送操作。
2.2 实验方法
本次实验采用图像测速方法，对装置内粒子输送速度加以检测，通过对比分析，从中得出一些实验结论。其中，粒子图像测速选取的工具为PIV系统，利用该系统采集水平管道内部物料粒子传输期间的速度分布信息。为了提高PIV系统图像测速性能，选取型号为Photron FASTCAMMAX I2高速摄像机作为图像拍摄工具，该设备快门速度高达0.1ms，作业参数帧率设定数值为1000。实验环境中，以2W高强度绿光作为激光源，并且对其连续性要求较高，设定光束厚度5mm，拍摄图像规格80mm×110mm。利用装置采集3个位置粒子图像信息，图1中A位置（距离粒子入口0.3m），B位置（距离粒子入口2m），C位置（距离粒子入口3.5m）。
按照粒子追踪测速PTV原理，对物料粒子作业状况加（未完，下一页）
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