針對(duì)粒徑1mm～10mm 的砂土物料，設(shè)計(jì)了一套真空吸送裝置。在真空吸送裝置中，分離系統(tǒng)用于將物料顆粒從氣固兩相流中分離出來(lái)。介紹了砂土物料真空吸送分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬，獲得了分離系統(tǒng)內(nèi)氣流壓力等值線圖和流跡，計(jì)算了分離系統(tǒng)的壓力損失。設(shè)計(jì)中，針對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化了分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了砂土的分離效率。

　　真空吸送分離系統(tǒng)是利用真空泵或風(fēng)機(jī)為動(dòng)力源，在系統(tǒng)內(nèi)部形成真空，使物料以懸浮態(tài)在管道中移動(dòng)，當(dāng)物料輸送流通過(guò)分離系統(tǒng)時(shí)，將物料顆粒從氣固兩相流中分離出來(lái)^[1]。分離系統(tǒng)利用不同粒徑的顆粒在重力場(chǎng)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(yīng)用于煙塵的除塵及其它粉塵的預(yù)處理^[2]。由于受湍流氣流的影響，物料顆粒在分離系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，采用理論分析或?qū)嶒?yàn)研究的方法均十分困難，因此以往分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)型為主。

　　近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在氣固兩相流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用與發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法為分離系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開辟了一條新的途徑。本文以分離系統(tǒng)的普適設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ)，針對(duì)粒徑10 mm、5 mm 和1 mm 的砂土顆粒，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)兩相流流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究系統(tǒng)內(nèi)氣流壓力、速度的分布規(guī)律和顆粒的分離特性，優(yōu)化分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高砂土的分離效率。

1、分離系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1、設(shè)計(jì)原則

　　分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為：根據(jù)欲分離物料顆粒的粒徑，確定氣流速度；利用進(jìn)氣口的空氣流量，計(jì)算分離系統(tǒng)的橫截面面積；結(jié)合實(shí)際的工程條件，確定分離系統(tǒng)的高度和寬度；以氣流速度、分離系統(tǒng)高度以及分離物料顆粒的粒徑范圍為條件，確定分離系統(tǒng)的長(zhǎng)度，同時(shí)考慮一定的裕量系數(shù)；在分離系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置2~3 級(jí)交錯(cuò)排列的垂直擋板，擋板高度為分離系統(tǒng)高度的2/3，以延長(zhǎng)兩相流通過(guò)分離系統(tǒng)的時(shí)間，從而提高分離效率。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)氣固分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 氣固分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2、參數(shù)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分離系統(tǒng)內(nèi)的氣流速度在0.4~1.0 m/s 為宜。選擇分離系統(tǒng)內(nèi)的氣流速度為0.5 m/s，入口風(fēng)量為3.7 m3/min，分離砂土的粒徑范圍為1~10 mm。經(jīng)計(jì)算，氣固分離系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2、數(shù)值建模及初始條件設(shè)定

　　由于砂土物料真空吸送系統(tǒng)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(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。該方法是采用跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的方法描述顆粒運(yùn)動(dòng)情況，即顆粒相被看作為離散的顆粒群，在拉格朗日坐標(biāo)系中考察顆粒群的運(yùn)動(dòng)情況，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到反映顆粒宏觀特性的統(tǒng)計(jì)平均值^[3]。

　　砂土物料的密度為2700 kg/m³， 對(duì)應(yīng)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(tài)被吸入，輸送管路中的氣流速度應(yīng)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(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，分離系統(tǒng)、輸送管路以及吸嘴造成的總壓力損失約為2000 Pa，因此設(shè)置出口邊界條件為壓力邊界（相對(duì)壓力為- 2000 Pa）。

5、結(jié)論

　�。�1）對(duì)砂土物料真空吸送分離系統(tǒng)內(nèi)的氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了分離系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力分布，初步計(jì)算氣體的壓力損失為304 Pa。

　�。�2）氣流基本上從進(jìn)氣口沿著擋板與系統(tǒng)內(nèi)壁之間的縫隙向出氣口方向運(yùn)動(dòng)，且在每級(jí)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(dǎo)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(duì)不同粒徑的砂土物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬與分析，結(jié)果表明，砂土的分離地點(diǎn)主要集中在分離系統(tǒng)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(shù)量和位置影響。擋板高度降低、數(shù)量減少以及位置向出氣口方向移動(dòng)，都會(huì)降低砂土的分離效率，但可以減小系統(tǒng)的壓力損失。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 達(dá)道安. 真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2004:1070- 1072.
　　[2] 葉天秀,王賢明.沉降室除塵效率的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào),2000,15(2):10- 12.
　　[3] 昌澤舟,A.Berlemont.氣固兩相流中顆粒彌散的拉格朗日模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2001,18(3):284- 289.
　　[4] 蔣恩臣,王立軍,劉坤,等.聯(lián)合收獲機(jī)慣性分離室內(nèi)氣固兩相流數(shù)值模擬[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2006, 27(3):193- 196.
　　[5] 徐學(xué)耘,周燕.高真空吸送裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)踐[J].水利電力施工機(jī)械,1998,20(2):6- 11.
　　[6] 宋永剛.固氣兩相流理論在路面銑刨碎料清理設(shè)備中的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2006(09): 56- 58.
　　[7] 王介生,李景輝,王曉婷,等.羅茨泵中央真空吸塵系統(tǒng)管網(wǎng)和風(fēng)機(jī)特性研究[J]. 棉紡織技術(shù),2004,32 (12):726- 729.