摘 要

弯管中粮食颗粒流动分析是优化弯管气力运输的重要手段，对优化粮食运输条件与减少能源消耗意义重大。近年来ANSYS Fluent等有限元分析软件在多相流问题研究中发展迅速，它是通过建模软件对实际管道进行物理建模与网格划分，再通过Fluent软件进行仿真模拟分析。相较于传统的实验研究方法，具有计算精度高、适用范围广与计算成本低等优点，因此在多相流分析领域得到了广泛的应用。

本文通过分析弯管的尺寸与结构，利用ANSYS ICEM建立了弯管的物理模型，并对其进行了网格划分。随后设计了计算过程，利用该模型在Fluent中研究了风速、管道弯径比、管道倾角和颗粒粒径对弯管中粮食颗粒流动特性的影响，对其作用机理进行了分析，接着为实际弯管设计优化提出建议。结果表明：增加风速可以使颗粒处于悬浮状态，但风速过大会增加能耗，加剧管道的磨损；弯径比越大粮食颗粒在弯曲处受到离心力作用时间越长，使粮食颗粒在上升阶段难以发生弥散；倾角越小粮食在转弯处过渡越平稳，粮食颗粒压力损失越小，颗粒在上升阶段弥散效果越好；在体积浓度一定的情况下，粒径越小单位时间进入管道的颗粒越多，对应的悬浮风速越大。

关键词：气力运输、弯管、粮食颗粒、气固两相流、数值模拟

Abstract

Grain particle flow analysis is an important means to optimize the pneumatic transportation of the bend, which is of great significance to optimize grain transportation conditions and reduce energy consumption. In recent years, ANSYS fluent and other finite element analysis software have developed rapidly in the research of multiphase flow. It is through the modeling software to carry out physical modeling and grid division of the actual pipeline, and then through FLUENT software to carry out simulation analysis. Compared with the traditional experimental method, it has the advantages of high accuracy, wide range of application and low cost, so it has been widely used in the field of multiphase flow analysis.

In this paper, by analyzing the size and structure of the elbow, the physical model of the elbow is established by using ANSYS ICEM, and its mesh is divided. Then, the calculation process is designed, and the influence of wind speed, bend diameter ratio, pipe inclination and particle size on the grain flow characteristics in the elbow is studied by using the model in fluent. The mechanism of the effect is analyzed, and suggestions for the actual elbow design optimization are put forward. The results show that increasing the wind speed can make the particles in suspension, but the excessive wind speed will increase the energy consumption and increase the wear of the pipeline; the larger the bend diameter ratio, the longer the grain particles are subjected to centrifugal force at the bend, the more difficult it is for the grain particles to disperse in the rising stage; the smaller the angle, the more stable the grain particles in the turning, the smaller the pressure loss of the grain particles, and the particles in the rising stage The dispersion effect is better; in the case of a certain volume concentration, the smaller the particle size is, the more particles enter the pipeline in a unit time, the greater the corresponding suspension wind speed.

Key words: Pneumatic transport, bend, grain particle, gas-solid two-phase flow, numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 2

1.3 存在问题分析 3

1.4 选题目的及意义 4

1.5 主要研究过程与研究内容 4

第2章 Fluent简介与模型选择 5

2.1 Fluent软件简介 5

2.2 多相流简介 5

2.3 Fluent中常见模型及其适用范围 6

2.4 模型选择 7

第3章 研究设计与参数设置 8

3.1 前提与假设 8

3.2 建立几何模型 8

3.3 网格划分 8

3.4 Fluent中具体设置 9

第4章 参数对粮食颗粒流动的影响 12

4.1 风速对颗粒运动状态的影响 12

4.1.1数值模拟 12

4.1.2分析与结论 12

4.2 弯径比对颗粒运动状态的影响 14

4.2.1 模型建立及网格划分 14

4.2.2 分析与结论 14

4.3 弯管弯曲角度对颗粒运动状态的影响 16

4.3.1 模型建立及网格划分 16

4.3.2 分析与结论 16

4.4 粒径对颗粒运动状态的影响 19

4.4.1 模型建立及网格划分 19

4.4.2 分析与结论 19

第5章 结论与建议 18

致谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1研究背景

最近几年我国粮食的产量增长迅速，与此同时，粮食的储运问题日益凸显。解决粮食的流通运输问题可以为我国粮食产量的迅速增长提供保障。这对我国农业的发展，农业技术的更新换代具有重要意义。

粮食属于散货一类，在运输的时候通常要使用气力管道运输。气力运输是指以气流为动力，通过管道对粮食颗粒进行运输。这种方法在散货运输中得到了广泛的应用^[1]。实际中受空间的限制，转运中需要使用不同弯曲角度的弯管。当空气与粮食颗粒在管道中运动时，由于涉及到两相在管道中流动，其运动是十分复杂的。从受力上分析，颗粒会受到四种力的作用：颗粒自身重力、空气对颗粒的压力、颗粒与颗粒之间碰撞的作用力和颗粒与管道碰撞产生的作用力。受到如此复杂力的作用，颗粒会出现滑动、跳跃和悬浮等。这使它们在管内的运动发生沉积、扩散、局部压力过大，以至于管壁出现磨损^[2]。对于水平转到竖直的弯管，在转弯处靠上位置，上侧壁面压力较小，气相占比较大。而在下侧壁面压力较大，固相占比较大；有研究发现在使用弯管时弯管内存在二次流，转向相反，呈现双涡结构。随着颗粒直径加大，弯管壁面的沉积率增大^[3]。弯管气力运输存在很多问题，研究弯管内气固两相流动规律的意义是十分重大的。它不仅可以极大地增加通过气力进行运输的效率，降低能源消耗，还可以减轻运输过程中的管道磨损、堵塞等问题。

通过分析我们得出影响气固两相在弯管中流动的因素主要有：