砂土物料真空吸送分離系統的設計與數值模擬
針對粒徑1mm～10mm 的砂土物料，設計了一套真空吸送裝置。在真空吸送裝置中，分離系統用于將物料顆粒從氣固兩相流中分離出來。介紹了砂土物料真空吸送分離系統的設計原則，運用計算流體動力學軟件對氣固兩相流的運動狀態進行了模擬，獲得了分離系統內氣流壓力等值線圖和流跡，計算了分離系統的壓力損失。設計中，針對不同粒徑的球體砂土顆粒，采用離散相模型與拉格朗日方法跟蹤顆粒的運動軌跡，優化了分離系統結構、提高了砂土的分離效率。
真空吸送分離系統是利用真空泵或風機為動力源，在系統內部形成真空，使物料以懸浮態在管道中移動，當物料輸送流通過分離系統時，將物料顆粒從氣固兩相流中分離出來[1]。分離系統利用不同粒徑的顆粒在重力場中以不同的沉降速度從氣流中分離的特性，可有效分離直徑為75 μm 以上的固體顆粒，被廣泛應用于煙塵的除塵及其它粉塵的預處理[2]。由于受湍流氣流的影響，物料顆粒在分離系統中的運動規律非常復雜，采用理論分析或實驗研究的方法均十分困難，因此以往分離系統的設計以經驗型為主。
近年來，隨著計算流體動力學在氣固兩相流動特性研究中的應用與發展，采用計算機模擬的方法為分離系統的優化設計開辟了一條新的途徑。本文以分離系統的普適設計原則為基礎，針對粒徑10 mm、5 mm 和1 mm 的砂土顆粒，運用計算流體動力學軟件對兩相流流動特性進行數值模擬，研究系統內氣流壓力、速度的分布規律和顆粒的分離特性，優化分離系統結構、提高砂土的分離效率。
1、分離系統參數設計
1.1、設計原則
分離系統的設計原則為：根據欲分離物料顆粒的粒徑，確定氣流速度；利用進氣口的空氣流量，計算分離系統的橫截面面積；結合實際的工程條件，確定分離系統的高度和寬度；以氣流速度、分離系統高度以及分離物料顆粒的粒徑范圍為條件，確定分離系統的長度，同時考慮一定的裕量系數；在分離系統內設置2~3 級交錯排列的垂直擋板，擋板高度為分離系統高度的2/3，以延長兩相流通過分離系統的時間，從而提高分離效率。根據上述設計原則，設計氣固分離系統結構如圖1 所示。
圖1 氣固分離系統結構示意圖
1.2、參數設計
根據工業實踐經驗，分離系統內的氣流速度在0.4~1.0 m/s 為宜。選擇分離系統內的氣流速度為0.5 m/s，入口風量為3.7 m3/min，分離砂土的粒徑范圍為1~10 mm。經計算，氣固分離系統主要設計參數見表1。
表1 分離系統設計參數
2、數值建模及初始條件設定
由于砂土物料真空吸送系統屬于稀相氣力輸送，顆粒體積百分比較小，因此采用拉格朗日方法對顆粒的運動進行計算。該方法是采用跟蹤顆粒運動軌跡的方法描述顆粒運動情況，即顆粒相被看作為離散的顆粒群，在拉格朗日坐標系中考察顆粒群的運動情況，并利用統計學方法得到反映顆粒宏觀特性的統計平均值[3]。
砂土物料的密度為2700 kg/m3， 對應直徑10 mm 的顆粒其懸浮速度為22 m/s。為使砂土物料以懸浮態被吸入，輸送管路中的氣流速度應不小于物料的懸浮速度，取25 m/s，即流體入口邊界條件為速度邊界（25 m/s）。根據經驗公式計算，分離系統、輸送管路以及吸嘴造成的總壓力損失約為2000 Pa，因此設置出口邊界條件為壓力邊界（相對壓力為- 2000 Pa）。
5、結論
（1）對砂土物料真空吸送分離系統內的氣固兩相流進行數值模擬，獲得了分離系統內氣體壓力分布，初步計算氣體的壓力損失為304 Pa。
（2）氣流基本上從進氣口沿著擋板與系統內壁之間的縫隙向出氣口方向運動，且在每級擋板的背部形成渦流。由于氣體壓力逐漸降低而速度增大，導致在越靠近出氣口的擋板背部附近，形成的渦流越大。由于渦流會使氣體的壓力損失增大，并且影響砂土的分離效果，因此，沿著氣流運動的方向逐漸降低擋板高度，可以減小渦流。
（3）利用離散相模型與拉格朗日方法對不同粒徑的砂土物料顆粒的運動軌跡進行了模擬與分析，結果表明，砂土的分離地點主要集中在分離系統的前半部分，隨著砂土粒徑的減小，后半部分被分離的砂土所占比例有所增加。砂土的分離效率受擋板的高度、數量和位置影響。擋板高度降低、數量減少以及位置向出氣口方向移動，都會降低砂土的分離效率，但可以減小系統的壓力損失。
參考文獻
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