砂土物料真空吸送分离系统的设计与数值模拟
针对粒径1mm～10mm 的砂土物料，设计了一套真空吸送装置。在真空吸送装置中，分离系统用于将物料颗粒从气固两相流中分离出来。介绍了砂土物料真空吸送分离系统的设计原则，运用计算流体动力学软件对气固两相流的运动状态进行了模拟，获得了分离系统内气流压力等值线图和流迹，计算了分离系统的压力损失。设计中，针对不同粒径的球体砂土颗粒，采用离散相模型与拉格朗日方法跟踪颗粒的运动轨迹，优化了分离系统结构、提高了砂土的分离效率。
真空吸送分离系统是利用真空泵或风机为动力源，在系统内部形成真空，使物料以悬浮态在管道中移动，当物料输送流通过分离系统时，将物料颗粒从气固两相流中分离出来[1]。分离系统利用不同粒径的颗粒在重力场中以不同的沉降速度从气流中分离的特性，可有效分离直径为75 μm 以上的固体颗粒，被广泛应用于烟尘的除尘及其它粉尘的预处理[2]。由于受湍流气流的影响，物料颗粒在分离系统中的运动规律非常复杂，采用理论分析或实验研究的方法均十分困难，因此以往分离系统的设计以经验型为主。
近年来，随着计算流体动力学在气固两相流动特性研究中的应用与发展，采用计算机模拟的方法为分离系统的优化设计开辟了一条新的途径。本文以分离系统的普适设计原则为基础，针对粒径10 mm、5 mm 和1 mm 的砂土颗粒，运用计算流体动力学软件对两相流流动特性进行数值模拟，研究系统内气流压力、速度的分布规律和颗粒的分离特性，优化分离系统结构、提高砂土的分离效率。
1、分离系统参数设计
1.1、设计原则
分离系统的设计原则为：根据欲分离物料颗粒的粒径，确定气流速度；利用进气口的空气流量，计算分离系统的横截面面积；结合实际的工程条件，确定分离系统的高度和宽度；以气流速度、分离系统高度以及分离物料颗粒的粒径范围为条件，确定分离系统的长度，同时考虑一定的裕量系数；在分离系统内设置2~3 级交错排列的垂直挡板，挡板高度为分离系统高度的2/3，以延长两相流通过分离系统的时间，从而提高分离效率。根据上述设计原则，设计气固分离系统结构如图1 所示。
图1 气固分离系统结构示意图
1.2、参数设计
根据工业实践经验，分离系统内的气流速度在0.4~1.0 m/s 为宜。选择分离系统内的气流速度为0.5 m/s，入口风量为3.7 m3/min，分离砂土的粒径范围为1~10 mm。经计算，气固分离系统主要设计参数见表1。
表1 分离系统设计参数
2、数值建模及初始条件设定
由于砂土物料真空吸送系统属于稀相气力输送，颗粒体积百分比较小，因此采用拉格朗日方法对颗粒的运动进行计算。该方法是采用跟踪颗粒运动轨迹的方法描述颗粒运动情况，即颗粒相被看作为离散的颗粒群，在拉格朗日坐标系中考察颗粒群的运动情况，并利用统计学方法得到反映颗粒宏观特性的统计平均值[3]。
砂土物料的密度为2700 kg/m3， 对应直径10 mm 的颗粒其悬浮速度为22 m/s。为使砂土物料以悬浮态被吸入，输送管路中的气流速度应不小于物料的悬浮速度，取25 m/s，即流体入口边界条件为速度边界（25 m/s）。根据经验公式计算，分离系统、输送管路以及吸嘴造成的总压力损失约为2000 Pa，因此设置出口边界条件为压力边界（相对压力为- 2000 Pa）。
5、结论
（1）对砂土物料真空吸送分离系统内的气固两相流进行数值模拟，获得了分离系统内气体压力分布，初步计算气体的压力损失为304 Pa。
（2）气流基本上从进气口沿着挡板与系统内壁之间的缝隙向出气口方向运动，且在每级挡板的背部形成涡流。由于气体压力逐渐降低而速度增大，导致在越靠近出气口的挡板背部附近，形成的涡流越大。由于涡流会使气体的压力损失增大，并且影响砂土的分离效果，因此，沿着气流运动的方向逐渐降低挡板高度，可以减小涡流。
（3）利用离散相模型与拉格朗日方法对不同粒径的砂土物料颗粒的运动轨迹进行了模拟与分析，结果表明，砂土的分离地点主要集中在分离系统的前半部分，随着砂土粒径的减小，后半部分被分离的砂土所占比例有所增加。砂土的分离效率受挡板的高度、数量和位置影响。挡板高度降低、数量减少以及位置向出气口方向移动，都会降低砂土的分离效率，但可以减小系统的压力损失。
参考文献
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