非球形颗粒动力学模型的评估及生物质气力输送中肘部磨损的优化

《Powder Technology》：Evaluation of non-spherical particle dynamical models and elbow erosion optimization in biomass pneumatic conveying

非球形生物质颗粒在90°弯头中的运动特性及侵蚀预测模型研究。提出Wang-DNS高保真非球形颗粒动力学模型，整合PR-DNS求解的拖力、升力及扭矩关联式，对比传统球型模型和Yin非球形模型，分析三种粒径组的颗粒运动轨迹、角速度及驻留时间演化规律。结果表明Wang-DNS模型能更真实反映气固相互作用与颗粒旋转特性，显著降低驻留时间并准确预测壁面侵蚀分布。进一步通过管径、入口速度及局部弯头扩张等参数优化，发现入口速度增至48m/s可使驻留时间减少超50%，但峰值侵蚀增加超50%；管径扩大至300mm可降低侵蚀 severity达91.6%，但延长驻留时间。 excessive弯头扩张（1.5D）会导致低能区形成和驻留时间延长。该模型为生物质协同燃烧系统管道优化设计提供理论支撑。

　　在现代工业系统中，特别是涉及生物质能与煤炭共燃的场景，非球形颗粒的运动行为对于管道输送系统的性能和设备磨损具有重要影响。本文研究了在气固两相流中，非球形生物质颗粒在垂直-水平90度弯管中的运动特性以及由此引发的壁面侵蚀现象。传统的球形颗粒模型在描述这类颗粒的旋转运动和复杂力响应方面存在明显局限性，因此，研究者开发了一种高保真度的非球形颗粒动力学模型（Wang-DNS），以更准确地模拟非球形颗粒的运动特性。

该模型基于粒子解析的直接数值模拟（PR-DNS）方法，引入了拖曳力、升力和扭矩的相关关系，从而能够更精确地描述圆柱形颗粒的平动和转动行为。在模拟过程中，研究人员采用了三种不同的模型进行对比分析：传统的球形颗粒模型（CFD-Sph）、由Yin等人提出的耦合平动-转动模型（Yin-Nsp），以及本文提出的Wang-DNS模型。研究对象包括三种典型颗粒尺寸组别，分别评估了它们在弯管中的行为表现。通过分析关键参数如拖曳系数、角速度和颗粒停留时间的变化，研究发现Wang-DNS模型在描述气固相互作用和颗粒旋转方面更为真实，相较于其他模型，它显著降低了颗粒停留时间，并能更准确地预测侵蚀和流动模式。

进一步地，基于Wang-DNS模型，研究设计了六个优化案例，探讨了入口速度、管道直径以及局部弯管扩张对流动结构和侵蚀模式的影响。研究结果表明，当入口速度提高至48米/秒时，颗粒停留时间缩短超过50%，但同时导致侵蚀峰值增加超过50%。相比之下，将管道直径扩大至300毫米可以将弯管处的侵蚀严重程度降低约91.6%，但会延长颗粒的停留时间。然而，过度的局部扩张（如1.5D的扩张）会导致低能量区域的形成，进而影响颗粒的停留时间和流动稳定性。因此，如何在提高输送效率的同时减少侵蚀成为系统优化的关键。

研究还指出，生物质颗粒与传统燃煤颗粒在物理特性上存在显著差异。例如，生物质颗粒通常具有较大的长宽比、不规则的表面形态以及较大的密度变化，这些因素都会对颗粒的运动轨迹和碰撞行为产生重要影响。在气固两相流中，非球形颗粒表现出更复杂的运动特征，包括显著的取向变化、局部流动扰动以及平动与转动之间的耦合效应。这种复杂的相互作用使得传统的球形颗粒模型在预测侵蚀强度时存在较大偏差，因此，建立能够更准确描述非球形颗粒运动的模型具有重要的工程意义。

近年来，随着计算能力的提升，粒子解析的直接数值模拟（PR-DNS）方法在非球形颗粒动力学研究中得到了广泛应用。PR-DNS能够解析复杂颗粒几何形状周围的完整流场，从而更准确地捕捉到压力梯度、尾流结构和力分布等关键特征。在此基础上，研究者开发了多种基于Reynolds数、长宽比和入射角的力系数经验关系，包括拖曳系数（$C_D$）、升力系数（$C_L$）和扭矩系数（$C_T$）。这些模型在不同条件下展现出良好的预测能力，为非球形颗粒的数值模拟提供了坚实的理论基础。

然而，现有的研究在预测侵蚀速率的模型构建方面仍存在不足。大多数研究将准确的流场预测和侵蚀模型作为前提，而对侵蚀率计算方法本身的探讨相对有限。因此，为了深入理解气力输送系统中弯管的侵蚀行为，有必要对不同的颗粒动力学模型进行系统对比。通过这种方式，可以识别传统球形颗粒假设的局限性，并评估先进模型的适用性。此外，对于工业系统中严重的磨损风险，还需要进一步探讨管道几何特征如直径和局部弯曲变化对侵蚀动力学的影响。

在实际应用中，气力输送技术因其灵活性和与自动化供料系统的兼容性，被广泛用于生物质共燃系统，如大唐淮北电厂等。然而，频繁的颗粒与管壁碰撞往往导致严重的侵蚀，这对设备的可靠性和维护计划构成了挑战。因此，基于真实颗粒动力学的侵蚀预测不仅具有理论价值，也对实际工程中的磨损控制和系统优化至关重要。

本文的研究为气力输送系统中非球形生物质颗粒的运动行为和侵蚀特性提供了新的视角。通过引入Wang-DNS模型，研究不仅提升了颗粒运动模拟的准确性，还为优化系统设计提供了可行的策略。例如，入口速度的调整可以在一定程度上提高输送效率，但需要权衡侵蚀风险的增加；而管道直径的扩大虽然能有效降低侵蚀强度，却可能延长颗粒的停留时间，影响整体输送效率。因此，如何在不同参数之间找到最佳平衡点，是系统优化的重要方向。

此外，研究还强调了非球形颗粒动力学模型在复杂工业环境中的重要性。在实际应用中，颗粒的形状和运动特性会受到多种因素的影响，包括颗粒来源、加工方式和输送条件等。因此，建立能够适应不同工况的高保真度模型，对于提升输送系统的预测能力具有重要意义。本文提出的Wang-DNS模型，不仅在理论层面提供了更精确的颗粒运动描述，还在实际工程中展示了其在侵蚀控制方面的应用潜力。

综上所述，本文的研究为非球形生物质颗粒在气力输送系统中的运动行为和侵蚀特性提供了深入的分析。通过对比不同模型的表现，研究揭示了传统模型在描述颗粒旋转和复杂力响应方面的不足，并提出了更先进的Wang-DNS模型。同时，研究还探讨了入口速度、管道直径和局部弯管扩张对流动结构和侵蚀模式的影响，为系统优化提供了理论支持和实践指导。这些成果不仅有助于提高生物质共燃系统的运行效率，也为未来的工业应用和设备设计提供了重要的参考依据。