颗粒形状、摩擦起电与输送性能在水平-弯管-垂直管道中的相互作用分析

《Powder Technology》：Analysis of the interactions among particle shape, tribocharging and conveying performance in a horizontal-bend-vertical pipe

　　

• 在弯管系统中分析了摩擦起电（tribocharging）和颗粒形状（particle shape）的影响。
• 输送距离（conveying distances）用不同水平的静电电荷（electrostatic charges）表示。
• 摩擦起电（tribocharging）通过悬浮（suspension）和流动性（flowability）对压降（pressure drop）产生双重影响。
• 颗粒模式（particle patterns）阐明了输送性能（conveying performance）的变化。
• 弯管侵蚀（bend erosion）因非球形形状（non-spherical shape）和较高电荷水平（higher charge levels）而加剧。

本研究由研究人员基于CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method，计算流体力学-离散单元法）模型，系统分析了颗粒形状（particle shape）、摩擦起电（tribocharging）与输送性能（conveying performance）在水平-弯管-垂直管道中的相互作用。工业气力输送系统中，颗粒经长距离输送时因连续碰撞产生静电电荷，且工业颗粒多为非球形，两者均显著影响流动行为与管道磨损，但已有研究多忽略长距离下电荷累积与形状的耦合效应。为填补这一空白，研究人员选用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）颗粒在PVC（聚氯乙烯）管道中，通过设置三种电荷状态（无电荷、半平衡电荷、平衡电荷）分别近似代表短、中、长输送距离，模拟密相与稀相工况（气速18–42 m/s），探究其对压降、质量流率及管道侵蚀的影响。研究揭示摩擦起电通过悬浮与粘附对压降产生双重作用，且非球形颗粒（片状、纤维状、扁椭球、长椭球）的定向运动与接触机制显著改变流态与磨损分布。结论表明，摩擦起电可稳定或破坏输送，非球形与高电荷联合加剧弯管侵蚀，为工业管道设计与静电风险防控提供了预测性指导。该论文发表在《Powder Technology》上。
研究所采用的主要关键技术方法包括：（1）基于超二次曲面（superquadric）描述的非球形颗粒DEM模型，通过少数参数（半轴长度a、b、c及圆整度参数n₁、n₂）生成椭球体（aspect ratio AR=0.177至5.489）并利用四元数（quaternions）计算旋转；（2）精炼电容器模型（refined condenser model）模拟摩擦起电（tribocharging），综合考虑冲击电荷与摩擦电荷，并基于库仑定律（Coulomb's law）计算粒-粒（P-P）与粒-壁（P-W）静电力；（3）采用由Rong等人发展的基于格点玻尔兹曼模拟的阻力模型及H?lzer与Sommerfeld提出的考虑非球形的曳力系数（drag coefficient）；（4）使用Ahlert磨损模型（erosion prediction model）预测管道壁面侵蚀，其中形状因子F_s设为0.2。所有模拟在水平-弯管-垂直管道（直径80 mm，弯管半径300 mm，水平段4 m，垂直段2.5 m）中开展，颗粒以恒定质量流率1.3 kg/s注入，气速18–42 m/s，物理时间8 s，CFD与DEM时间步长分别为1×10^-4 s与1×10^-5 s。
**4.1 模型验证（Model validation）**：通过系统验证（包括超二次曲面DEM在料斗卸料、颗粒堆积中的基准测试，CFD-DEM耦合在流化床中的形状依赖性流体动力学验证，以及精炼电容器模型在气力输送中的电荷预测与实验数据吻合）和磨损模型与实验侵蚀深度对比，确认本模型适用于复杂工业管道。
**4.2 颗粒形状对输送性能的影响（Effect of particle shape on conveying performance）**：选取三种代表性形状（AR=0.177, 1, 5.489）评估。密相（18 m/s）中高度非球形颗粒（片状和纤维状）的质量流率波动明显，稀相（42 m/s）中相对稳定。压降方面，密相中片状和纤维状颗粒（AR=0.177和5.489）的压降低于球形，而扁椭球和长椭球颗粒（AR=0.365和2.042）的压降高于球形；随气速增大，形状效应减弱。原因在于片状和纤维状颗粒的取向依赖阻力增强悬浮，减少粒-壁摩擦；中等非球形颗粒悬浮不足，靠近下壁面导致更密集的粒-粒/粒-壁接触和更高压降。
**4.3 摩擦起电对输送性能的影响（Effect of tribocharging on conveying performance）**：无电荷时压降曲线呈“M”形；半平衡电荷（4.31×10^-10 C）时密相压降大幅降低，曲线两端抬升，球形颗粒压降最低；平衡电荷（8.62×10^-10 C）时压降进一步降低但幅度减小，曲线转为“?”形，非球形颗粒压降高于球形，且长椭球压降随长宽比增大而增加。稀相中电荷效应较小。根本原因在于库仑力（Coulomb force）的双重作用：排斥力促进悬浮，降低摩擦压降；粘附力使非球形颗粒（接触面积更大）粘附于弯管壁，增加摩擦压降。水平段压降随电荷增加而增大（悬浮增加粒-壁碰撞），垂直段密相中电荷使粒子从壁面弹开、减少团簇，压降显著下降。
**4.4 颗粒形状与摩擦起电对管道磨损的影响（Effects of particle shape and tribocharging on pipe wear）**：磨损分布上，密相中带电颗粒使磨损沿弯管向上和侧面扩展，平衡电荷时磨损加深并出现尖顶；稀相中垂直段磨损因粒子反弹加剧。定量分析显示，磨损率随电荷水平近似线性增加，稀相增幅（约20%）大于密相（约10%）。不同形状比较：平衡电荷下非球形颗粒在弯管侧面产生更广泛的磨损（片状颗粒磨损区域更宽，长椭球定向冲刷），球形颗粒磨损更集中。稀相中非球形颗粒的磨损显著增强，片状颗粒因平均接触力更大而加剧磨损，长椭球因高频定向碰撞导致冲刷。
研究讨论部分指出，摩擦起电通过悬浮与粘附的双重机制影响压降和磨损，其效果取决于电荷大小和局部流态；非球形颗粒（极端长宽比）通过增强悬浮降低压降，而中等非球形颗粒因阻力增大和流动性降低而增加压降；磨损方面，电荷累积与形状非球性联合导致弯管等关键区域更严重的侵蚀，尤其在稀相中非球形颗粒悬浮且高电荷加剧碰撞能量。研究结论翻译如下：
本研究利用CFD-DEM模型，系统探究了密相与稀相水平-弯管-垂直管道中颗粒形状和静电电荷对输送性能与管道磨损的耦合影响。对具有不同形状的颗粒施加三种电荷状态（零、半平衡、平衡），分别代表短、中、长输送距离下的充电过程。主要发现如下：
• 摩擦起电对输送性能产生双重影响：在零至半平衡电荷水平下，静电力增强颗粒悬浮，促进更均匀的流动结构，降低压降（尤其在稀相）；但在平衡电荷水平下，强的粒-壁（P-W）粘附与电荷诱导的凝聚破坏流动，导致局部团簇并增加弯管处能量损失。在这些区域，二次流在摩擦起电与非球形的联合作用下加剧碰撞充电并重分布核心层与近壁层粒子。总体而言，摩擦起电可能稳定或破坏输送，取决于电荷大小和局部流态。
• 阐明了压降变化的机制：与非球形颗粒相比，非球形颗粒显著改变输送行为。例如，片状和纤维状颗粒（AR=0.177和5.489）通过增强悬浮和延迟沉降降低弯管压降，而中等非球形颗粒（AR=0.365和2.042）因阻力增大和流动性降低而增加阻力，导致压降高于易悬浮的高度非球形颗粒。颗粒形状也改变流动结构：扁椭球倾向于形成稳定团簇，而长椭球优先沿流向排列。此外，颗粒充电显著影响水平和垂直段压降：随着输送距离增长、静电电荷累积，增强的粒-壁库仑作用增加流动阻力，从而提升压降。
• 摩擦起电与非球性共同影响管道侵蚀，弯管作为二次流集中颗粒冲击的关键区域，形成局部磨损热点。随着输送距离增长、静电电荷累积，粒-壁相互作用增强，增加冲击能量，导致更严重的侵蚀。与非球形颗粒相比，非球形颗粒产生更尖锐和环向的磨损模式，并总体上造成更大的管道侵蚀。具体而言，扁椭球形产生更宽的磨损区，而长椭球形因其独特的弯管流动模式导致定向冲刷。总体而言，颗粒形状与摩擦起电的联合效应导致高静电电荷的非球形颗粒在长距离输送中产生最严重的管道磨损，这一效应在稀相中尤为显著，因为非球形颗粒在高气速下悬浮，且高静电荷加剧粒-壁相互作用，两者均增强冲击能，从而加剧侵蚀。
总之，本研究展示了气力输送中摩擦起电、颗粒形态与管道几何之间的复杂相互作用，为工业粉体输送系统中静电危害缓解、管道设计优化和磨损减少提供了预测性指导。值得注意的是，本研究采用椭球体因其简单、计算高效且适于隔离形状效应，但此类颗粒通常比许多工业颗粒更平滑规则，未来需发展通用、高效的模型以充分表征不同场景下的颗粒形状，并开展系统研究以探讨颗粒形状及其关联变量间的相互作用，从而为工业应用提供更有意义的结果。