旋流气力输运中水平管道管壁磨损的流体力学仿真与分析

刘帅

广州广电计量检测股份有限公司广东省广州市510000

摘要：在水平运输管道的运输中，管道的堆积堵塞问题是比较难处理的，但由于旋流气力运输的存在，解决了堵塞的这一问题。但是使用该方法处理堵塞问题的后果就是旋转起来的固体颗粒对管道壁造成磨损，磨损的程度同多种因素有关。本文主要论述了在旋流气力输运当中，水平管道管壁磨损的流体力学的仿真和分析，并且对管壁磨损的问题进行了分析，提出了一些改善管壁磨损的措施。

关键词：旋流气力输运；水平管道；管壁磨损；流体力学；仿真与分析

管道运输作为工程应用中占比非常大的一项，无论是气体还是固体，其能耗都是非常大的。所以，如果想要提升工业生产的效率，降低工业生产的成本，就需要对运输系统进行改进和优化处理。同时我们还应当深入研究管道内固体颗粒的摩擦问题。对于稀向气力输运系统来说，重力影响着其中的固体颗粒，导致管道内存在堆积堵塞等问题。对于这些问题来说，利用旋流的方法能够解决一部分，同时我们还应当不断的深入研究，尽量减少颗粒贴壁造成的一些损失。

1实验装置和方法

1.1对实验装置的介绍

图1中的实验装置能够实现在低压状态下进行远距离、高比重和大颗粒的煤炭输送系统。

图1

在图1中，1位置上的是消声器，消声器能够起到除去风机产生噪声的作用。2位置上是三通分流器，三通分流器能够把系统中风机产生的气流分成两路。3位置上是旋转下料阀，旋转下料阀能够控制物料的下落。4位置上的是喷嘴，这个喷嘴具有出口直径小，进口直径大的特点。同时它的圆周上还有四个很小的进气口。5位置是直径为一百五十毫米，厚度为六毫米的一个实验管道。6位置是该气体系统的产生装置，称为主辅风机。7位置是一个三通装置，这个三通装置是一个混合部件，气固在这其中混合且一起从出口流出。8位置是增旋器，有一个出口和两个进口。9位置为回收仓，其作用是将经旋流气力运输后的物料回收到其中。

1.2具体实验方法

在进行实验的时候，首先应当开启6位置的主辅风机，开启后能够产生气流，这些气流具有一定的压力，带有压力的气流再被三通分流器分成两股。这两股气流的其中一股需要继续沿着主流管道通过混合部件的一个进口。这时要缓慢得将下料阀开关扭动，让固体颗粒可以经过旋转下料阀落到混合部件中。固体颗粒进入混合部件后和主流方向的气流混在一起，然后气流将带动着固体颗粒一起运动，最后高速地冲入增旋器地主流进口。三通分流器中另一条支流将从旋流器的旁路进口进入，在旋流器内通过旋转的方式，让气流变成高速旋转的气流。当旋转气流到达旋流器出口时，会与到来的主流进口的气固混合流进行混合，让固体颗粒跟随着旋转气流进行旋转，从而达到旋转运输的效果。

2对管道管壁磨损进行仿真分析

管道管壁磨损的情况种类可以分为三大类，分别为：磨粒磨损、切削磨损、冲击破坏。

磨粒磨损：颗粒在管壁上滑动时会产生大小不一的交变摩擦力，这种力虽然不算大，但是在长期在大量的颗粒的摩擦后，管壁表面也会因此疲劳产生裂纹，最后导致脱落现象的发生。

切削磨损：固体颗粒是随机大小的且不规则的，虽然颗粒的尖角并没有什么威胁，但是在高速旋转中这些不起眼的尖叫会变得像刀具一样，大量的这种颗粒不断地对管道壁进行切削，在一段时间后管道壁就会被切削处明显地沟痕或是管壁一部分直接被切削掉。有些速度相对偏慢的固体颗粒可能会嵌入管道壁，其后会被大量的固体颗粒碰撞摩擦，让已经嵌入的固体颗粒被冲刷带走，而颗粒造成的创口会暴露出来，在继续被大量颗粒冲刷后，创口磨损会越来越严重。

颗粒的冲击：高速旋转的颗粒摩擦冲击管壁，有些颗粒嵌入管壁中后又被冲刷出来，管壁也会在这个过程中不断发生形变，长期在这种状态下，管壁材料会疲劳脱离。正冲击会对浅层管壁材料造成最大的损伤，而斜冲击会让材料表面被冲处凹痕，凹痕后的材料会略微拱起，大量的颗粒会将拱起部分削掉，如此循环下去，管壁会出现很明显的损伤。

对切削磨损率和冲击磨损率的推导如图所示：

3改善管壁磨损的方法

减少管壁磨损的方法可以从两个方面入手，一是防磨，二是耐磨。从防磨的角度看，可以减小管道内流体的速度，速度小了，对管壁的冲击力就小了。在长距离运输的过程中，可以使用分级增压的方式，让管道内的压差尽量减小，让磨损程度降低。从耐磨地方面看，可以给管壁层加耐磨层让磨损程度降低。因为颗粒对管道下壁接触过多，可以将下管壁面增厚地方式提高耐磨性。

结束语：旋流气力输运解决了管道的堆积堵塞问题，但固体颗粒对管道壁的磨损是难以解决的问题，本文对管壁磨损的流体力学仿真与分析后，希望能对这方法的改进提供帮助，让旋流气力输运在未来发展中发挥出越来越大的作用。

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