01 项目背景

气力输送主要可以分为密相输送和稀相输送：密相输送通过机械力或气力将物料推动或抽吸到输送管道当中，通过管道的压差和物料自身的重力来进行输送，适用于长距离大流量的输送；稀相输送通过气体的压缩和加速作用将物料悬浮在气流中，然后通过管道的气流动力学特性来完成输送，适用于输送易挥发、易结块、易变质的物料。

该气力输送项目粉体入料粒度分布在200-600微米，固气比为20，属于密相输送，成栓流状态。仿真需要关注其粉体输送过程的压降、物料流动状态、物料在管道内的速度变化以及管道的磨损情况，从而对系统进行评估及优化。

1.1 简化模型

1.2 工况参数

02 仿真方案

2.1 EDEM-CFD耦合仿真

本气力输送案例属于湍流气固两相流。在这种湍流气固两相流流动过程中，气相的湍流结构由于颗粒的存在而发生较大的改变。

气固两相的各种能量传递受到气相与固相的影响，在建立湍流流动模型时，需要考虑颗粒与流体之间的作用，流体自身湍流效应，以及颗粒之间的相互作用。

针对该案例特点，选择EDEM-CFD耦合仿真能够较准确地模拟粉体物料气力输送的过程。

2.2 EDEM相对磨损模型

EDEM中的相对磨损(Relative Wear)模型能够确定设备高冲击(法向)和高磨蚀(切向)区域。

该模型根据物料与设备之间的相对速度和相关力进行计算，提供数据以表明正在发生磨损的区域。其主要运用了四个相对磨损性能来评估磨损。分别是法向累积接触能、切向累积接触能、法向累积力和切向累积力。其中，法向累积接触能和切向累积接触能分别测量因材料碰撞和滑动而产生的累积能量。

根据物料和管道的相互作用产生的碰撞能量分布，可以反映管道易磨损及物料易破碎区域。

2.3 粉体建模

主要遇到的一个挑战是：粉体颗粒粒径分布在200到600微米，其颗粒粒度较小。在EDEM中，稳定时间步长与颗粒粒径呈指数级关系，因此，对粉体精确建模就意味着庞大的计算量，尤其这个案例的输送管线还十分长。

在EDEM中，针对粉体建模采用“介观”等效放大颗粒，并提供了Calibration Kits和EDEMCal物料标定工具，使在减少计算量的同时，能够保证其计算的精确度。

在该案例中，使用粗颗粒模型4倍放大颗粒，在设置流场与颗粒相相互作用的曳力时通过颗粒放大因子校准粗颗粒模型曳力与真实颗粒曳力相同。

2.4 气相参数设置

与EDEM的双向耦合，既考虑流体和颗粒之间的作用，又考虑颗粒对流体的作用。

将气力输送的三维模型导入CFD软件进行前处理，模型的边界条件设置气体体积速度入口边界，压力出口边界。

03 仿真结果与分析

仿真视频查阅公众号EDEM

3.1 流场压力

物料颗粒在输送管线中从静止到起动并达到稳定的输送速度，需要消耗相应的气流能量，因此造成压力损失。

气力输送进行过程中，管线内物料颗粒逐渐增加，当颗粒在流体中悬浮或运动时，颗粒表面与流体之间的摩擦阻力增加，压力损失增大。压降由初始时刻5.4 kPa，逐渐增加至75.4 kPa。

3.2 物料速度

由下图可知，物料在管线内输送垂直管速度>垂直弯管速度>水平管速度>水平弯管速度，相同类型管道，距离输送端位置越远物料平均速度越快。

3.3 磨损分析

气力输送过程中颗粒最易破碎和管道最易磨损的区域都在弯头处。

这主要是因为颗粒在离心力的作用下经过弯头时颗粒像一根绳子集中于管道一侧，未经缓冲减速集中冲击弯头外侧壁面，且出口颗粒偏向一侧，气动效率低，这种现象称为“绳索效应”。

分析物料基本均匀分布在管线情形下，弯管位置壁面与物料的相互作用力。

除弯管2和弯管8，法向力和切向力在其他弯管处范围比较一致，法向力在0.005 0.01 N范围波动，切向力在0.002 0.004 N范围波动。

弯管2和弯管8两处垂直弯管的壁面-物料作用力大于其他位置，表明物料在该位置发生破碎的可能性更高，细粉率增加。

整个管线水平管、垂直管和弯管的累积接触能分布如下图所示。累积能表示物料和管线碰撞能量的累加值。

在垂直管至水平管的弯管2处碰撞能量＞其他弯管碰撞能量＞水平管碰撞能量＞垂直管碰撞能量。

弯管8物料到达时间比较晚，所以表现的累积接触能在最终时刻累计值不如作用力明显大于其他位置。

04 总结

本报告利用EDEM离散元仿真软件和CFD耦合，对物料在管线内的气力输送过程进行模拟仿真，分析了入口和出口的压力分布及压降，料流变化及物料速度分布，并运用EDEM相对磨损模型分析了管道易磨损及物料易发生破碎的区域。由此我们能够得知：

（1）粉体气力输送过程的各种能量传递受到气相与固相的相互影响，EDEM-CFD耦合仿真能够综合考虑颗粒与流体之间的作用、流体自身的湍流效应以及颗粒之间的相互作用，较为准确地还原真实粉料输送过程。

（2）密相输送的特征是出现栓流，而稀相输送类似于流化状态。在软件中主要是通过固气比及不同的给料方式进行体现。

（3）EDEM中的相对磨损模型根据物料和管道相互作用产生的碰撞能量分布，能够反映管道易磨损及物料易破碎区域。

（4）在EDEM中，稳定时间步长与颗粒粒径呈指数级关系，对整个粉体气力输送系统仿真意味着庞大的计算量。因此建议从局部问题切入进行研究，例如垂直管、水平管、垂直弯管、水平弯管处造成的压力损失、料流变化等，从而对系统进行评估及优化。

通过EDEM-CFD对气力输送系统进行仿真研究，能够更好地理解气力输送的原理和特点，为系统的设计、优化和故障排查提供有力的参考和数据支持。