基于CFD－DEM的文丘里供料器设计*

姚艳萍 刘素琰 刘永强

太原科技大学机械工程学院 太原 030024

0 引言

气力输送指空气或是其他气体在建立好的管道路线里进行流动，将物料颗粒从初始位置搬运到目的位置的技术。气力输送系统由4个部分组成，分别为压缩机、供料器、输送管道以及分离器。这种输送方式有很高的输送效率，设备构造较简单，环境适应性较强，管理方便，同时也易实现自动化，广泛应用于工业、能源、农业、矿业等方面[1]。

供料器是气力输送系统中很重要的一部分，用于将粉粒体运送到输送管道中，并与气流进行混合。而文丘里供料器是气力输送系统中最简单的供料装置，有结构紧凑、占用空间少、价格便宜、物料输送速度高和连续性能好等优点，被广泛使用于各种输送系统中[2]。研究文丘里供料器内部颗粒运动特性、流体运动特性和结构参数对其输送性能的影响有重要的工程意义。

本文基于气力输送的文丘里管理论公式，设计了文丘里供料器的结构，使用Solidworks建立了其三维模型，然后使用Fluent和EDEM耦合的方法对文丘里供料器展开仿真研究。

1 文丘里供料器结构及原理

文丘里供料器也称为气-固喷射器，是气力输送系统中较简单的一种供料设备，图1为其结构简图，主要由5部分构成，分别为喷嘴、供料器、混合室、接收室及扩散室。其原理是使用高速的气流来对粉粒体物料进行运输，带一定压力的压缩空气从喷嘴射出，在接收室内形成高速气流，并使接收室内形成负压，物料在自身重力和大气压的双重作用下落进接收室，高速气流携带物料一起进入混合室并进一步混合均匀，然后通过扩散室进入气力输送管道[3]。

图1 文丘里供料器简图

2 文丘里供料器参数计算

文丘里供料器结构参数包括输送管直径、喷嘴入口以及出口的直径、喷嘴长度、混合室入口、出口直径、混合室长度、扩散室长度等[4]。已知参数有：风机入口压力为大气压，风机出口压力为27 kPa，流量Q=14 m3/min，联合收割机喂入量q=0.7 kg/s，输送管道由1.5 m水平管道、4 m垂直管道和3个90°弯管组成。由文献[5]提供的文丘里管理论公式，可计算出文丘里供料器相关的结构参数。

1）输送参数的计算

2）管道出口阻力计算

3）性能计算

4）结构尺寸计算

由以上计算结果可得，文丘里供料器结构如表1所示，物料入口和水平面有倾角，这样可以让物料有一定的水平初速度进行下落，既可让物料平稳运输，还可减少能量消耗。

表1 文丘里供料器结构参数 mm

3 几何建模与仿真

使用三维建模软件Solidworks建立文丘里供料器的三维模型，如图2所示。此结构为壳体，在用EDEM与Fluent耦合的方法进行仿真时，Fluent的计算域是流体域，将文丘里供料器三维模型导入Ansys软件的DesignModeler模块中，对其三维模型进行抽取流体域[6]，流体域结构如图3所示。

图2 文丘里供料器壳体模型图

图3 文丘里供料器流体域模型图

使用EDEM软件与Fluent软件耦合的方法对文丘里供料器进行仿真研究。如图4所示为文丘里供料器的速度云图，可以看出，气体在通过喷嘴的时候，管径慢慢减小，同时速度不断变大，在喷嘴喉径处速度最大；在接收室通过混合室和扩散室时，混合流速逐渐降低；气体在喷嘴喉径处有一个稳定的高速气流点，从而可以让物料进入到接收室的时候可以和高速气流充分的混合且以很快的速度进行输送。

图4 文丘里供料器速度云图

物料颗粒运动轨迹图如图5～图8所示。由图5～图8能够看到物料在文丘里供料器中的运动轨迹，物料在自身重力和大气压的双重作用下能很容易地落进接收室内，颗粒下落以后和高速气流融合，并高速的进行运输，在经过混合室的时候在其壁面发生反弹，从而让混合流体变的平稳，保证在扩散室里面输送时的稳定。

图5 文丘里供料器生成颗粒图

图6 文丘里供料器颗粒速度流量图

图7 颗粒总量速度图

图8 颗粒速度时间图

5 结论

本文主要使用EDEM－Fluent耦合的方法对文丘里供料器进行模拟仿真研究，对最后仿真结果的气体速度以及颗粒运动的具体轨迹进行了详细分析。经过相关研究发现文丘里供料器喷嘴喉径的位置能拥有稳定的高射流，可以更稳定地对运输颗粒。然而因喷嘴的射流是有一定范围限制，当颗粒在供料器的边缘进入接收室的速度过大时，颗粒就下落到壁面进行反弹，然后运动到喷嘴上下两端，聚集在接收室左侧，造成物料的残留，故该装置还有待进一步的改进。