水平稀相气力输送系统中不稳定流动的机理及稳定性边界

《Practical Radiation Oncology》：Mechanisms of unstable flow and stability boundaries in horizontal dilute-phase pneumatic conveying systems

气动输送不稳定流动的混合两/三层模型研究。基于Wirth和Wypych的分层理论，结合相似准则与伯努利原理，建立新型两/三层混合模型，系统揭示水平稀相输送中不稳定流动的形成机制与稳定性边界，通过CFD-DEM模拟与实验验证，模型精准预测不稳定流态起始条件，并识别稳定输送下最小能耗参数，为气动输送稳定性优化提供理论支撑与实践策略。

　　在工业生产中，高效处理大宗物料是保障连续性和经济性的关键因素。气力输送系统因其封闭运行、卫生设计和操作灵活性，已经成为粮食、化工和制药等行业广泛采用的物料运输方式。这类系统具备高吞吐量、环境兼容性和低能耗等优势，因此在现代工业中具有重要地位。根据流动状态，气力输送通常被划分为三种形式：稀相输送、过渡相输送和密相输送。其中，物料在管道内的流动状态主要由颗粒特性、管道几何形状以及边界条件决定，尤其是气固质量流比。在稀相向密相过渡的过程中，往往形成一个中间的“过渡相”，这种状态以显著的不稳定性为特征，常导致较大的压力波动、物料堵塞以及输送效率的明显下降。值得注意的是，这种不稳定的输送只在特定的操作窗口内发生，因此深入理解过渡相的形成机制和稳定性边界对于有效缓解气力输送系统的不稳定性至关重要。

早期研究中，Zenz、Wirth 和 Segla 等学者首次识别了最小输送速度作为区分绳状流和不稳定流的分界线。随后，Matsumoto、Wirth 和 Molerus 以及 Matsumoto 等进一步研究了细颗粒和粗颗粒在水平管道中的最小输送速度。Kalman 和 Rabinovich 引入了颗粒-流体系统的阈值速度标准，为选择最小输送速度和预测床层形成提供了理论依据。同时，Jama 通过简单的统计分析和 Hurst 缩放方法表明，Hurst 指数可以作为流体不稳定性的早期指标。Mallick 和 Wypych 随后提出了基于 Eid 参数的统一不稳定性标准，并阐明了弗劳德数在稳定性边界上的物理意义。Arefmanesh 和 Michaelides，以及 Weber 等进一步强调了弗劳德数在表征气力输送不稳定性的关键作用。

压力波动是导致输送不稳定的主要驱动因素，过去几十年间，大量研究致力于对气力输送系统中的压力波动进行表征。Makwana 等结合实验和数值模拟研究了过渡相，发现管道内形成类似沙丘的结构会显著增加沙丘表面的剪切应力，从而导致压力降的明显上升。Behera 和 Chen 通过密相输送实验表明，随着固体负载率的增加，脉冲斜率下降，气流质量流量成为脉动特性的关键决定因素。在此基础上，Mittal 使用功率谱密度（PSD）、希尔伯特-黄变换（HHT）和小波分析，绘制了输送路径上主导频率的变化，反映了固体、气体与管道壁之间相互作用的增强。Behera 后续的 PSD 研究进一步揭示，随着固体负载率的上升，频率带宽和平均谱功率呈现指数级下降。Alkassar 使用小波分析确定了流化密相飞灰输送中流态转变的起始点，而 Dikty 等结合固体负载率、气体速度和欧拉数等参数，阐明了压力波动与总体压力降之间的内在联系。

为了深入理解大宗物料在气力输送中的流动动态，并识别缓解流动不稳定性的解决方案，已经开发了多种适用于直管和弯管的理论模型。在直管情况下，Wirth 和 Molerus 提出了一种两层模型，区分了下部移动床和上部“悬浮层”，并表明在绳状流条件下，半圆形管道的最小输送速度比相同截面积的圆形管道低约 25%。在此基础上，Wypych 和 Yi 引入了参数 α（凹陷面积与完整圆形面积的比值），并构建了一个三层模型，包括静止床、移动床和悬浮层，用于界定水平密相输送的最小运输边界。Lecreps 和 Sommer 随后综合了这些研究，提出了一个统一框架，并使用无量纲流态图来表征不同流动状态下的操作点。对于弯管配置，Sharma 和 Mallick 首先开发了一个理论框架，考虑了颗粒特性、气流参数以及弯管半径与管道直径的比值，由此推导出弯管压力降模型。Tripathi 等进一步研究了稀相输送中不同弯管配置（如水平-水平、水平-垂直和垂直-水平）的总弯管压力降，确认总弯管压力降等于各气体和颗粒引起的损失之和。随后，Sharma 和 Mallick 比较了现有的弯管压力降模型，提出了改进的公式，并通过实验验证了其在灰水泥、飞灰和白水泥中的适用性，从而提升了弯管气力输送的预测准确性。

此外，一些研究者还扩展了预测模型，以涵盖整个气力输送过程。Orozovic 等开发了一种适用于稀相和密相输送的统一预测方法，引入了经验性的“恒定固体”流曲线模型，大幅减少了所需的试点试验数量。在此基础上，Huber 和 Sommerfeld 回顾了用于分散气固流动的欧拉-拉格朗日方法的发展，并构建了一个基于物理的壁-颗粒相互作用模型，该模型包含了湍流、双向耦合、颗粒侧向升力、颗粒与壁面的碰撞（包括壁面粗糙度效应）以及颗粒之间的碰撞。同时，Du 等研究了正压条件下的密相输送，提出了一个压力驱动的质量流量预测公式，并利用流态图来界定不同输入参数下的输送状态。最近，Jones 和 Williams 提出了对流态预测技术的全面综述，将预测图表分为两类——基于基本颗粒特性和基于气粒相互作用参数的图表，从而更清晰地可视化在不同操作条件下流态的变化。

理论模型为气力输送行为提供了基础理解，而先进的模拟技术则使对在线现象的描述和预测更加精确。Miao、Kuang 和 Zughbi 等使用计算流体力学（CFD）开发了一个严格验证的数值模型，揭示了颗粒绳状流的形成和破裂主要由颗粒分布中的最大颗粒所主导。Kuang、Li 和 Yu 提出了一种耦合的 CFD-DEM 框架，能够模拟工业规模的输送系统；通过比较不同气体和固体流量下预测和测量的压力降，他们确认了模型的准确性。最近，Kuang、Zhou、Yu 及其同事回顾了 CFD-DEM 的进展，特别强调了对关键现象如流化转变、管道磨损、颗粒磨损和静电效应的建模。

尽管上述研究为理解和改进气力输送提供了有价值的见解和工具，但大多数研究集中在稳态行为上。关于非稳态输送的研究，尤其是不稳定流态的形成机制及其稳定性边界，仍然存在不足。因此，准确预测和控制这些边界行为以防止不稳定性和效率下降，构成了一个尚未解决的关键挑战。为应对这一挑战，本研究探讨了稀相水平气力输送中不稳定流态的起始点和边界。为此，我们开发了一种新型的混合两层/三层理论模型，并通过 CFD-DEM 模拟和受控实验对其进行了严格验证，确保结果的精确性和实际应用价值。

实验测试平台和材料方面，稀相-密相检测实验装置如图 1 所示，集成了一系列模块化子系统，用于精确控制和测量气力输送的流动。一台无油螺杆压缩机提供最高达 0.8 MPa 的压缩空气，随后通过压力调节组件和可变文丘里段进行计量，以实现对气体质量流量的精确控制。固体颗粒则通过计量螺杆喂料器从缓冲料仓引入，确保颗粒输入的可控性和一致性。该实验平台能够模拟多种操作条件下的气力输送过程，为后续研究提供了可靠的实验数据支持。

在稀相输送的极限边界研究中，模型和机制描述仍然具有挑战性，因为可能的流动状态范围广泛。Konrad K. 简化了问题，将管道内的流动分为两种主要模式：稀相和密相。然而，颗粒特性和载气条件的变化在实际应用中导致了更复杂的行为。Deng T. 和 Bradley M. S. A. 评估了颗粒粒径分布对支撑流动的影响，揭示了不同粒径分布对流动稳定性的作用。此外，通过实验数据表明，颗粒粒径分布对流动状态的划分具有重要影响，尤其是对流态的稳定性边界。

在工作区域的分类中，当不考虑静止层厚度的影响（即令 α = 0）时，无量纲压力降被绘制为弗劳德数的函数，使用体积流量比和流量比作为参数，如图 6 所示。图 6 展示了无量纲压力降与颗粒层中弗劳德数平方之间的关系。通过这种分析，可以将操作区域划分为四个不同的区域，分别为 I、II、III 和 IV。这种分类有助于更清晰地理解不同操作条件下的流动状态，并为优化气力输送系统提供理论依据。

图 6 中的虚线 E、F 和 G 将图划分成了四个不同的操作区域。为了阐明这些曲线的物理意义，下面给出了相应的定义。曲线 E 是根据无量纲压力降与弗劳德数之间的变化率来定义的，而曲线 F 则用于区分曲线的正负斜率，其定义基于无量纲压力降与弗劳德数之间的变化率。曲线 G 的组成更为复杂，它反映了无量纲压力降与弗劳德数之间的关系。通过这些曲线的分析，可以更全面地理解不同操作条件下的流动状态，并为气力输送系统的优化提供理论支持。

为了验证所建立模型的准确性和可靠性，我们在与实验相同操作条件下进行了 CFD-DEM 模拟。本节详细介绍了模拟设置，包括颗粒模、碰撞参数、接触特性以及网格生成，以确保模拟过程的可重复性和结果的可信度。通过模拟和实验数据的对比，可以更直观地理解模型的适用性和准确性。此外，模拟结果还揭示了不同操作参数对流动状态的影响，为实际工程应用提供了参考依据。

在结论部分，本研究扩展了经典的两层和三层气力输送模型，系统地纳入了速度差引起的升力和粘性引起的压降阻力。我们通过 CFD-DEM 模拟和受控实验验证了增强后的模型，为气力输送系统的优化提供了坚实的理论基础。基于这一严格验证的三层框架，我们从理论推导、数值模拟和管道实验的角度出发，深入探讨了不稳定流态的形成机制及其稳定性边界。研究结果表明，通过合理控制操作参数，可以有效缓解气力输送中的不稳定性，提高输送效率和系统可靠性。本研究不仅为气力输送理论的发展提供了新的视角，也为实际工程应用提供了可操作的策略和方法。