干货分享 | 转运站导料槽气固两相流仿真

乘风破浪_ 2023年9月15日浏览：1349 收藏：1

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项目背景

输煤系统的尘源主要是输煤皮带转运站产生大量扬尘造成的。物料在转运过程中由于颗粒之间的相互碰撞剧烈，因此产生的诱导气流运动复杂，细小的粉体颗粒在气流的带动下随风扩散。

若转运站中采取的除尘装置除尘效果不理想，就会造成大量的粉尘外逸到作业环境中，达不到国家对粉尘规范标准；更为严重的是伴随着多种潜在危害，例如危害工人健康，造成矿井事故，加大设备磨损，对环境产生危害等。

项目模型

仿真方案

物料在转运系统内的流动是一个散状物料和空气、粉尘相互作用的复杂多相流系统，单纯的使用离散单元法或者应用流体力学方法并不能完全描述转运系统内的运动状态，因此需要使用DEM-CFD耦合的方式来研究转运站内诱导风的分布情况。

气固两相流模拟转运站导料槽诱导风的仿真具有显著优势，相比昂贵且耗时的物理实验，仿真成本低廉且高效，能在计算机上模拟复杂流动过程。此外，仿真能够灵活地测试不同操作条件和设计参数，为工程提供便捷手段进行多方案比较、优化和设计。

仿真结果与分析

通过EDEM和AcuSolve耦合仿真，模拟物料以2.8 m/s初速度进入转运站，在管内与空气的相互作用情况。

计算中，5 s时：物料颗粒通过转运管道刚进入导料槽，并将卸载到受料输送带上；10 s时：物料颗粒完全通过受料皮带，离开计算域；10 s后的物料颗粒稳定分布在转运站。

根据计算结果可得到各工况在20 s时的物料颗粒和气流的速度结果。

分析挡尘帘与泄压阀的抑尘效果

干货分享 | 转运站导料槽气固两相流仿真的图2

备注：挡尘帘和泄压阀作为抑尘装置，装备挡尘帘时，间隔2m/个。

3.1 无抑尘装置

如上图3.1(a)所示，是无抑尘装置20 s时转运站内气体流场速度矢量图，对比图3.1(b)物料在管道和导料槽的分布可以明显看到：转运站内受料面和背料面存在高速区，而相应的高速区中间又有一部分低速区，分析可知这是气固两相流作用下形成的气体旋涡。

物料颗粒群在进入管道初始，沿曲线管道运动的物料颗粒群会带着颗粒间隙中的气体以及紧挨着颗粒群的气体流动，形成诱导气流，流场在类离心力的作用下，会形成旋涡；当物料颗粒在重力作用下，从一段曲线管道末端位置跳跃式过渡到下一段管道的时候，物料颗粒和夹杂在颗粒群之间的气体会有分离，并且此时流体通道截面积减小，物料对诱导风的流通有一定的阻碍作用，因而会进一步促使相应位置旋涡流场的形成。

3.2 挡尘帘

干货分享 | 转运站导料槽气固两相流仿真的图4

由图3.2(b)含挡尘帘装置时转运站内气体流场速度矢量图可以观察到，导料槽挡尘帘之间出现多个气体旋涡。由相关研究可知，由于撞击改向而形成的旋流存在有利于减少扬尘的产生。

无抑尘装置时，物料落入受料输送带后，导料槽内部气流速度最大值出现在导料槽出口处，导料槽出口气体的速度为2.41 m/s，接近受料输送带的运行速度。在装备挡尘帘后，颗粒群和气流在导料槽中挡尘帘的作用下，形成了分布合理的旋涡流场，使得导料槽内的气体流动速度更加平缓，出口平均速度下降至1.68 m/s，可以有效降低粉尘往外喷发的现象。

3.3 泄压阀

装配泄压阀后，从图3.3(b)可以看到，大量气体从泄压阀出口处逸出。矢量箭头的大小可以反映气体流量，在导料槽装配泄压阀后，出口流量减少，可以降低诱导风带出的扬尘。

整个转运站内，管道中诱导风速最高，接近物料下落速度，在无抑尘装置时，最高气体流速为4.65 m/s，含抑尘装置挡尘帘和泄压阀时，管道内的最大风速为4.48 m/s，导料槽出口平均风速1.56 m/s。因为大量高速气流通过泄压阀逸出，减少了给料匙处气体流量。

分析导料槽长度的影响

干货分享 | 转运站导料槽气固两相流仿真的图6

3.4 导料槽长度

当料流速度增加，颗粒高速下落时带动的扰动气流增加，管内诱导风速增加。根据仿真分析结果，当给料匙出口风速由4.48 m/s增加至6.01 m/s时，10m导料槽出口风速增至3.44 m/s。因此，需要针对不同转运站结构的给料匙出口风速，设计导料槽长度。

如图所示，当给料匙出口风速为6.01 m/s时，12 m导料槽出口处风速降至2.96 m/s，相比10 m导料槽时出口风速降低0.48 m/s。继续增加导料槽长度至20 m，管道内气体由泄压阀分流的流量增加，导料槽出口气体流量减少，风速明显降低至1.47 m/s。

随着导料槽长度增加，挡尘帘和泄压阀降低诱导风作用更加明显。因为给料匙至出口位置长度增加，更多气体被泄压阀分流逸出，而且挡尘帘作用次数增加，出口处气流稳定流出。

导料槽内的压力分布可以解释这一现象。

由上图可以观察到，转运站导料槽内压力沿皮带方向逐渐减小。

导料槽长度为20 m时，由于给料匙处诱导风速更高，动压增加，所以20 m导料槽气体静压低于10 m导料槽和12 m导料槽。

每经过一段挡尘帘，气流在挡尘帘处撞击造成能量损失，压力降低。随着导料槽长度增加，气体经过挡尘帘降压次数增加，接近出口处压力越小。20 m导料槽出口位置前出现负压，负压有利于气体回流，降低风速，减少导料槽出口位置扬尘。

总结

在物料转运过程中，诱导风速和产尘量的大小密切相关，明确转运站内的流场分布对分析转运站的抑尘效果有重要意义。针对常见的输煤转运站建立相应的几何模型，并采用DEM-CFD气固两相流仿真对物料和气流进行分析，其中使用EDEM软件分析颗粒的运动情况，AcuSolve软件分析气体的运动和受力情况，得到转运站内气体流速分布情况。

根据对比仿真得到的结果可知：

(1) 挡尘帘能够有效抑尘：气流在挡尘帘处撞击造成能量损失，压力降低，由于撞击改向而形成的旋流存在有利于导料槽出口风速的降低，从而减少扬尘的产生；

(2) 泄压阀起气体分流作用：大量气体从泄压阀出口处逸出，使导料槽出口流量减少，有效降低诱导风带出的扬尘；

(3) 导料槽出口位置前出现负压有利于气体回流，降低风速，减少导料槽出口位置的扬尘。

关于导料槽DEM-CFD 流固耦合仿真，还需要进一步分析下列问题：导料槽长度跟物料下落速度的关系，挡尘帘的间距跟导料槽长度、物料下落速度的关系，泄压阀的位置关系，回风管到底有没有用，管径跟风速、风量的关系，以及导料槽内能不能或如何才能形成稳定的负压。

通过对转运站导料槽的气固两相流仿真来设计转运站结构，控制料流速度和导料槽长度的关系，合理布置抑尘装置，可以有效降低诱导风，减少扬尘产生，从而以最低的成本带来最高的效益。

文章来源：EDEM