凯发国际娱乐官网入口 基于CFD的水平移動式拋丸機回收系統的優化研究

摘要：水平 移動式拋丸機 作為一種新興的表面清理機械，將拋丸工藝的應用從零部件表面處理拓展到公路養護、船體除銹、機場跑道除膠等各種領域。與其他清理維護設備相比， 在經濟性、環保性，以及工作效率等方面，移動式拋丸設備都有巨大的優勢。本文對水 平移動式拋丸機彈丸回收系統進行了優化研究，重點分析了回收系統的兩個重要參數： 分離效率和壓力損失，及其影響因素。分離效率直接關系到拋丸機的清理效果和使用壽 命；壓力損失則直接影響拋丸機的工作效率。拋丸機的回收系統基于氣力輸送理論進行 設計，它利用高速氣流攜帶彈丸和雜質的混合物在密閉的管道內流動，在回收室內完成 彈丸的分離和回收。氣力輸送即管道內部的氣固兩相流運動，本文利用流體力學、經典 力學理論以及部分經驗公式對顆粒運動規律進行了分析，并設計了裝置外形和工作參 數。同時結合計算流體力學理論，借助Fluent 軟件對管道內部的流場、顆粒相的運動規 律進行了分析，并計算出回收效率、壓力損失等系統重要參數作為設計參考。
關鍵詞：氣固兩相流 氣力運輸 水平移動式拋丸機 分離系統 數值模擬

1.1課題研究背景
拋丸作為一種表面處理工藝，廣泛應用于機械零部件、公路、橋梁和船體外殼的清 理和維護，拋丸機是實現拋丸處理的設備。進行拋丸處理時，電機帶動葉輪旋轉，離心 力作用把彈丸以很高的速度和一定的角度拋射到加工表面上，進行打擊和磨削，達到清 理、強化、光飾的目的。 固定式拋丸機是傳統的拋丸設備，其工作原理是：工件被送入拋丸室內，多個拋丸 頭同時從不同角度向工件拋射彈丸，通過不斷調整工件角度，待處理表面可以均勻地得 到清理。由于這種拋丸設備固定在室內作業，使得拋丸工藝的應用受到了極大限制。 隨著第一臺水平移動式拋丸機在美國Blastrac 公司誕生，拋丸工藝的應用從傳統的 零部件處理擴展到公路養護，船體除銹，機場跑道除膠等各種領域，在經濟性、環保性， 以及工作效率等方面，移動式拋丸設備與其他維護設備相比都有巨大的優勢。拋丸設備 的不斷成熟，使得移動式拋丸機在這些領域中發揮著不可替代的作用。

1-拋丸頭2-回收管道 3-分離室 4-擋板 5-清除管道

圖1.1 拋丸機工作機構示意圖

 水平移動式拋丸機由4 個系統組成：拋丸機構，彈丸回收分離系統，驅動裝置，控 制系統。圖1.1 為拋丸機機構和分離機構示意圖。水平移動式拋丸機的工作原理如下： 電機M1 帶動拋丸輪高速旋轉，將彈丸以一定的速度和角度拋向工作表面，隨后彈丸和 雜質進入回收管道，被高速的氣流攜帶至分離室實現彈丸的分離和回收。雜質進入清除 -1- 管道較終被清除，彈丸通過回收管道進入拋丸輪，實現了彈丸的回收利用。系統中的高速氣流和負壓力都是由大功率風機提供的。彈丸回收系統由回收管道、分離室、清除管 道、回丸管道、風機等部分組成。水平移動式拋丸機有單獨的驅動裝置，拋丸的同時能 夠在工作表面上移動。整個拋丸機是由 PLC 控制的，通過調整機器的行走速度、彈丸 的拋射流量，可以得到不同的拋射強度，達到不同的表面處理要求。 利用水平移動式拋丸機清除混凝土表面浮漿、雜質的工作現場。水平 移動式拋丸機的主要應用領域包括：
（1）城市里的各種道路鋪裝和清潔處理，路面標志標線的去除、拉毛，提高路面 粗糙度和摩擦系數；
（2）清理和清除混凝土表面的浮漿、雜質，同時進行了打毛處理，使其表面均勻 粗糙，大大提高防水層和混凝土基層的黏結強度；
（3）混凝土及瀝青跑道去除胎跡（除橡膠）、去除標線、恢復及增加機場跑道表面 粗糙度，提高跑道的摩擦系數；
（4）使用拋丸工藝處理鋼橋面可以達到 SA2.5/SA3 的鋼板清潔度要求，并且可以 控制粗糙程度，滿足涂裝要求，而且整個過程是無塵操作，移動方便。
拋丸工藝作為一種施工簡單、設備投入小、效果顯著而又環保的處理方法，開始于 歐美國家，隨著這種工藝的推廣，我國已經開始在公路、橋梁、機場維護等領域引進拋 丸技術。例如重慶通渝隧道、貴陽營盤坡隧道、白沙洲大橋、上海盧浦大橋等，都選擇使用水平移動式拋丸機進行清潔維護和粗糙度處理。

1.2 課題研究內容
移動式拋丸機主要采用風選和磁選兩種分離方式。風選分離器適用于循環系統中彈 丸含量較低的設備。由于風選分離器制作容易、成本低，得到了廣泛應用，但對于顆粒 懸浮速度區別不大的混合物分離效果不夠理想；磁選分離的分離效果遠遠好于風選分離 器，分離效果可達99.5%，特別適用于彈丸含量大于20%的情況，在雙拋丸頭的拋丸機 中廣泛應用，但是對具有磁性的雜物和彈丸的區分不夠理想。分離器是拋丸機丸料循環 系統的關鍵部件，分離效果的好壞直接關系到清理效果和設備的使用壽命。有數據表明， 當丸料中雜質含量每增加1%時，拋丸器葉片的的磨損增加2-3 本文主要研究風選式分離回收裝置的結構、性能和工作原理，通過理論計算設計裝置參數和結構，建立裝置內部流體相和顆粒相的運動模型，利用仿真軟件，對設計參數 和模型進行驗證，并模擬回收效率和壓力損失兩個重要參數，較后提出裝置優化設計的 參數和方案。
1.2.1 分離裝置外形
水平移動式拋丸機的風選分離系統基于氣力輸送原理設計，是一種結合了風力、重 力、慣性作用原理的分離裝置。風機被安置在分離系統的末端，丸料和雜質的混合物從 進口進入運輸管道，達到分離室。由于分離室處管道直徑顯著增加，輸送氣流的速度明 顯降低，對物料的攜帶能力下降，彈丸就能夠依靠自身重力開始沉降；而粉塵和其它雜 物由于非常細小，重力對其的影響微乎其微，能夠繼續隨氣流流動，進入清除管道達到 除塵室。同時，為了保證彈丸的分離效果，在分離式中設置擋板。利用彈丸自身慣性遠 遠大于雜質慣性的原理，彈丸在沉降過程中撞擊擋板并反彈入回收室中。這種方法能夠 提高分離效率，但會增加裝置的壓力損失。 回收室結構外形如圖 1.3，分離室的出口 通過清除管道與風機相連接，風機為系統提供一定負壓，進口形成的高速氣流將混合物吸入回收管道并攜帶至分離室完成彈丸 的回收和雜質的清除。回收的彈丸從出口2 進入回丸管并達到分丸輪；雜質隨氣流通過 出口1 進入清除管道并達到集塵室。該系統能夠實現連續地吸入和輸送，對于質量差別 較大的混合物料能夠實現有效的分離，而且結構簡單，能源消耗量低，能夠實現簡單、 快速、有效的分離。

圖1.3回收室及分離裝置外形

 1.2.2 分離裝置參數
分離裝置的兩個較重要參數是分離效率和壓力損失。分離效率是衡量分離裝置工作 能力的重要指標，它表征了裝置回收有效顆粒的能力，通常用質量分離效率表示。 分離效率定義如下：

其中：wo ——單位時間內進入運輸管道內總的顆粒質量，mg；
wq ——單位時間從清除管道排除的顆粒質量，mg。
wh 單位時間進入回收室內的顆粒質量

壓力是能量的一種形式，氣體和物料在管道內運輸的過程中與管壁產生摩擦，為了 克服這種摩擦而繼續流動，就要消耗能量，表現為壓力損失，壓力損失是衡量分離裝置 經濟性的重要指標。在氣固兩相流中，氣流和物料所消耗的各種能量都是由氣流的壓力 能量來補充的，因此計算出流體和物料運動中產生的能量損失就能求出壓力損失。

此外，管道的壓力損失可以由管道內兩個斷面間的平衡來求得，表示為進氣壓力損 （1-3）

 p1—流道出口截面壓力，單位為Pa。

1.3 課題研究的理論基礎

1.3.1 氣力運輸概述
氣力輸送是在管道中利用氣流能量，來輸送粉粒裝物料的一種連續型輸送裝置，在 冶金、采礦、電力、化工、糧食等工業領域應用廣泛。氣力輸送是目前國際上普遍采用 的干式輸送方式，它具有密封性好、輸送效率高、可輸送距離遠、自動化程度高等優點。 按照系統采用的壓力不同，可以分為壓送式系統、吸送式系統和混合式系統： （1）壓送式系統利用高于大氣壓力的壓縮空氣進行運輸，又稱為正壓系統。風機 設置在系統始端，提供高速氣流。壓送式系統輸送距離長、輸送容量大、物料容易卸出， 但是供料裝置比較復雜。可以實現連續輸送或間歇輸送，適用于多點卸料的分散輸送。 （2）吸送式系統利用低于大氣壓力的空氣作為輸送介質，又稱為負壓系統將風機 設置在系統末端提供吸氣作用，利用管道內部形成的真空度進行輸送。吸送式系統結構 簡單、物料容易被吸入、運輸方便，但具有能量消耗大，密封要求高，真空度與輸送距 離相互制約等缺點，適用于多點取料的集中輸送。 （3）同時具有吸送和壓送的復合式系統稱為混合系統，這種系統兼具二者的特點， 但是結構復雜、氣源工作條件較差，易發生磨損。 按照顆粒在輸送管道中的密集程度，氣力輸送分為稀相輸送和密相輸送： （1）當管道內物料含量較低或者物料與空氣的流量比較小，顆粒間距離較大時， 為稀相輸送。采用稀相輸送時，氣體壓力較低、氣流速度較高，適用于粒度較小、干燥、 易流動、輸送距離不大的顆粒運輸。 （2）當物料含量較高或者物料與空氣的流量比較高時，為密相輸送。密相輸送采 用較高的壓力、較低的空氣流速，與稀相輸送相比，管道磨損小、物料破損率低，能夠 實現高密度、長距離的物料的輸送。 對于氣力運輸系統，氣流速度和壓力損失是系統的兩個重要參數。氣流速度的選擇 關系到物料的運輸效率和裝置的經濟性。合理的氣流速度，要求物料不會發生堵塞，又 能夠有效運輸，即同時滿足運輸效率和較佳工作性能的速度。壓力損失的大小直接影響 到系統的效率和經濟性，減少壓力損失是提高氣力輸送能力的有效途徑。 氣力輸送設備簡單、操作容易、效率較高，容易實現集中控制和自動化；但是，與 其他機械相比、能耗較高、易磨損，同時受到物料粒度、黏性和濕度等屬性的限制。

1.3.2兩相流體力學概述
兩相流是在流體力學、傳熱傳質學、物理化學、燃燒學等學科的基礎上發展起來的 一門新興學科。20 世紀40 年代，開始了兩相流的系統分析和研究。60 年代后，越來越 多的學者探索描述兩相流運動規律的基本方程，有關兩相流的著作也開始陸續出版。 1974 年《國際多相流雜志》創刊。1982 年多相流手冊出版。中國計量測試學會于1992 10月成立了“多相流測試專業委員會”，已舉行了多次學術會議，推動了多相流測試 技術的發展。 流體力學中的“相”，定義為具有相似動力學性質的群體。當流體中包含幾種動力 學性質不同的群體時，這種流體就稱為多相流。根據多相流中“相“的數目，可以分為 兩相流、三相流等，自然界中以兩相流較為常見。兩相流分為四種，分別是：氣液兩相 氣力輸送就是一種流動在管道內部的氣固兩相流，兩相流體力學理論的研究和成熟有力地促進了氣力輸送技術的發展。

（1）氣固兩相流的兩種研究方法
一種是把流體相作為連續介質，把顆粒看做離散相，對流體相的研究采用 Euler 法，在任意指定時刻，描述流動參數的空間分布，以時空坐標（x，t）為自變量，將流動參數（主要有速度、密度、壓力和溫度以及它們的組合）表示為時空坐標的函數（流 動參數的分布，也稱參數場，如速度場、溫度場）；對離散相的研究采用Lagrange 方法， 從某時刻開始跟蹤每一流體質點記錄所對應質點流動參數的變化，以初始時刻坐標A 時間t為自變量，研究流動參數（主要有質點位移，密度，壓力和溫度）。這種方法稱為 Euler-Lagrange 方法。 另一種是把流體相作為連續介質，把顆粒相作為擬流體，認為顆粒相在空間具有連 續的速度和溫度分布，對流體相和顆粒相都采用 Euler 方法進行分析。這種方法稱為 Euler-Euler 方法。 管內氣固兩相流的運動狀態，隨著物料粒度和形狀、輸送量以及風速的不同而改變。 影響流動狀態的主要因素包括： 輸送條件：如：輸送方式、風速、輸送量等。

當管道內部的顆粒與氣體質量比較低，且空氣流速較高時，流動基本呈均勻懸浮狀。這種狀態下，固體顆粒比較均勻地分布在管道中，并均勻地同整個管壁相接處，它與關 閉的摩擦系數可以采用類似于流體的沿程阻力系數來表征，顆粒之所以能夠向前運動， 主要靠氣動推力，或者說靠流體與粒子間的相對速度。當顆粒濃度較高，氣流速度較低 時流動呈集團流狀態，流體從集團內的例子之間穿過的數量很少，集團類似于極易變形 的塑性體，顆粒主要靠集團前后行程的流體壓差推動向前運動，而且有部分顆粒沿管道 底部滑動，它與管壁的摩擦系數接近于固體間的摩擦系數，所以壓力損失較大 。拋丸機彈丸回收系統中兩相流動呈懸浮狀態，所以這是一種懸浮式氣固兩相流。

（2）懸浮式氣固兩相流的兩種模型
懸浮流一般可以分為自由均勻懸浮流（單顆粒自由懸浮流）和粒群均勻懸浮流。對 于自由均勻懸浮流，認為顆粒之間和顆粒與管壁之間沒有碰撞和摩擦，即粒子間和管壁 都互不干擾，所有顆粒的力學及其運動學性質均相同，相當于是研究單個粒子的運動規 律，這是較理想的均勻懸浮流模型。顆粒群均勻懸浮流的顆粒之間有非常顯著的相互作 用，單獨研究每個顆粒的運動規律十分困難。于是把固體顆粒群也當做一種擬流體，認 為這種擬流體服從于純流體運動的一些規律進行研究。顯然，對于自由均勻懸浮的研究 采用的是Euler-Lagrange 方法，對于顆粒群均勻懸浮流的研究采用了Euler-Euler 方法。
1.4 氣固兩相流的研究方法
1.4.1 理論計算 由于流體相與顆粒相間相互作用的復雜性，使得氣固兩相流的研究比單相流體的研 究要困難的多。流體運動滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。對每一相 和界面條件建立局部瞬時方程，用平均方法得到瞬時空間平均方程、局部時間平均方程 和時間空間平均方程，把平均方程簡化到要求的程度，以此來求解實際問題。這種分析 方法較嚴密，所得關系式更有普遍性。但對所得到的平均方程如果不作某些簡化，很難 直接求解。并且上述平均方程還不是封閉的，要想對其求解，還需要知道一些相關關系 才能實現。 工程應用的理論計算中，通常將實驗結果整理成經驗關系式或者圖表。利用這些公 式和圖標指導設計并提供計算依據。這種方法的優點是計算簡便、快捷，具有較高的精 確度。但是，這些通過實驗得到的公式和圖表在應用中，有相當大的局限，只能在規定 的范圍內應用。
1.4.2 實驗方法
兩相流體力學理論還不夠完善，能夠描述兩相流的通用微分方程組尚未建立，所以 在研究兩相流領域的研究中，實驗研究仍然起著重要作用。實驗研究，是掌握兩相流規 律的基本方法。目前，在兩相流實驗中應用的測量方法包括 [14] ：電導法（conductivity probe)、熱膜測速儀(hot filmanemometer)、激光多普勒測速儀(1aser Doppler velocimeter 簡稱LDV)及粒子成像測速儀(Particleimage velocimeter ,簡稱PIV)等。 1.4.3 數值模擬 計算流體力學Computational Fluid Dynamics（以下簡稱CFD）是利用數值方法通過 計算機求解描述流體運動的數學方程，揭示流體的物理規律，研究定常流體運動的空間 物理特性和非定常流體運動的時-空物理特征的學科，是流體力學的一個分支。 CFD 的基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速 度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方 式建立起關于這些離散點上變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得常變 量的近似值 [15] CFD的優點是能夠解決理論研究方法無法解決的復雜流動問題,和實驗相比所需的 費用和時間都比較少,而且可以有較高的精度,有些在實驗室無法進行的實驗,通過數值計 算方法可以得到很好的研究。數值方法也有局限性,它要求對問題的物理特性有足夠的了 解,從而能夠提煉出較精確的數學方程,數值方法有著理論分析和實驗方法不能起到的作 本文將結合理論分析和數值仿真對管道內空氣和彈丸混合物的氣固兩相流進行分析研究。

2 氣固兩相流的理論分析

2.1 管內氣固懸浮流的兩種模型
彈丸隨氣流在管道內流動，空氣粘性阻力和重力相互作用決定了彈丸的運動規律。 當粘性阻力作用明顯時，顆粒做懸浮運動；當重力作用顯著時，顆粒趨于沉降。如果流 速和湍流尺度足夠大，粘性阻力大于重力作用，顆粒就能夠隨氣流流動。提供顆粒懸浮 運動的能量以及氣固兩相流動摩擦損失的能量都由湍流能量提供，宏觀上表現為壓力損 。下面討論當氣流速度和湍流能夠維持懸浮運動的兩相流運動模型。管內氣固兩相流的運動狀態，隨著物料粒度和形狀、輸送量以及風速的不同而改變。 顆粒相的濃度通常用體積密度或者固氣質量比來表示。當管道內氣固兩相流的濃度較低 （固氣質量比m<10），氣流速度較高時，管道內部流動呈均勻懸浮狀，這種狀態稱為均 勻懸浮流；當兩相流濃度較高（固氣質量比m>10），氣流速度較低時，管道內的流動呈 集團流狀態。 均勻懸浮的流動，固體顆粒相對均勻地分散于氣流中，顆粒與氣流之間存在速度差， 這種速度差形成的空氣曳力提供了顆粒懸浮的動力；氣流中的顆粒粒度小、分布疏散、 具有一定黏性，往往會形成集團流，氣流很難從顆粒之間穿過，集團前后的壓差提供了 顆粒群流動的動力，由于顆粒與管壁的接觸明顯，壓力損失嚴重 按照顆粒分布的特性，懸浮流又分為自由均勻懸浮流（或單顆粒自由懸浮流）和顆粒群均勻懸浮流兩種。 （1）對于形狀相似的顆粒均勻彌散在氣流中的兩相流，由于顆粒本身屬性和外界 條件的相似性，顆粒在管道內部的力學和動力學性質也是相似的。于是，作出以下假設： 顆粒之間沒有碰撞和摩擦，顆粒具有相同的運動軌跡，這樣得到的兩相流模型稱為自由 均勻懸浮流或者單顆粒自由懸浮流。 （2）對于外形不同的多種顆粒均勻彌散在氣流中的兩相流，不同粒子的運動軌跡 是不相同的，顆粒間的碰撞、摩擦不可忽略，研究單個顆粒的運動規律是非常困難的。 于是，把顆粒相當做一種擬流體，認為這種流體具有一般流體的運動屬性，并服從流體 力學的基本理論，這樣得到的模型稱為顆粒群均勻懸浮流。 2.1.1 單顆粒自由懸浮模型 管道內的兩相流中，顆粒既有滾動、懸浮，又不斷發生碰撞，運動機理很復雜，依 -9- 靠理論分析解決問題非常困難。但是，對于均勻懸浮的兩相流模型，粒子的受力情況及其運動規律均相同，相當于是研究單個粒子的運動規律。圖2.1 所示為單顆粒自由懸浮 模型。 Wpsin0 uG Wp uG=uGup=0 uGup 圖2.1 單顆粒自由均勻懸浮模型 忽略顆粒所受的空氣升力和浮力作用，顆粒在管道內隨氣流運動過程中，只有重力 和空氣阻力作用，根據流體力學和牛頓第二定律，可以得到下面公式： ——管道傾斜角度，單位。式（2-1）和（2-2）即為單粒子在傾斜管內平行流中的運動微分方程，前者使粒子 速度 隨時間t 的變化關系，后者是 隨運動距離l 的變化關系，這兩個運動微分方程 是研究粒子運動規律的理論基礎； 2.1.2顆粒群均勻懸浮模型 對于顆粒群均勻懸浮流，不同粒子的運動軌跡是不相同的，顆粒間的碰撞、摩擦不 -10- 氣固兩相流的理論分析可忽略，研究單個顆粒的運動規律是非常困難的。通常把兩相流視為一種以流體流動為 主的運動加上顆粒的運動，即把固體顆粒群也當做一種特殊的流體來看待，研究其運動， 圖2.2 所示為顆粒群均勻懸浮模型。 圖2.2顆粒群均勻懸浮模型 結合流體力學中沉降理論和牛頓第二定律可得： （2-4）對于水平管：sin （2-5）對于豎直管：sin （2-6）粒群運動速度 是隨著時間或距離的增加而增大，同時所受阻力也隨之增大，當 增大到較大速度（或成為較終速度 ，氣流對粒群作用的氣動推力與粒群所受到阻力相 速運動，而為等速段。令粒群的運動微分方程中加速度為零，即可求得各種情況下的較終速度 和速度比 在拋丸機的工作過程中，采用負壓吸送、輸送量小、氣流速度較高、固氣混合比低，而且彈丸顆粒相同，所以拋丸機回收系統中的流動是一種自由均勻懸浮式兩相流。作為 顆粒相，鋼制彈丸的密度遠遠大于空氣和雜志的密度，并且所有彈丸具有相同的性質和 外界條件，在理論分析時，認為彈丸具有統一的運動軌跡，且彈丸之間不發生碰撞，相 當于研究單個粒子的運動規律。 根據拋丸機的工作原理，在離心力的作用下，彈丸以一定的速度和角度沖擊加工表 面后，速度和角度都發生了變化；進入回收管道后又受到高速氣流的作用，并與管道壁 面發生碰撞；同時伴有彈丸自身滾動、旋轉產生的附加力作用，所以彈丸的運動機理是 十分復雜的。 2.2 自由懸浮模型顆粒受力分析 根據前面分析，彈丸被高速拋向地面，反彈后進入回收管道與輸送載體的氣流之間 發生能量轉換，運動機理非常復雜，單純依靠理論分析難以解決實際問題。于是通過簡 化處理，引入單顆粒自由懸浮模型，認為每個彈丸具有相同的動力學性質，相當于研究 單個彈丸的運動規律。通過顆粒的受力分析，比較不同力的量級，忽略對彈丸作用微小 的力，建立顆粒運動方程，對設計和仿真具有重要的指導意義。 紊流場中，粒子在運動過程中受到多種力的作用，不同的力在顆粒運動中起到的作 用不同，產生的原因也不同，在實際計算過程中的處理方法也存在較大的差別。根據分 析，主要受到以下幾個力的作用：粘性阻力 、慣性力、重力 和浮力、壓力梯 、虛假質量力、Besset 、Magnus升力 、Saffman升力 2.2.1粘性阻力 在氣固兩相流中，氣體作用在顆粒上的力取決于氣體與顆粒的相對速度。當顆粒速 度大于氣體速度時，表現為阻力；而當顆粒速度小于氣體速度時，表現為驅動力。這個 力被稱為空氣曳力或粘性阻力，簡稱阻力。在實際兩相流中，顆粒的阻力大小受許多因 素的影響，它不僅與顆粒的雷諾數有關，還與流體的湍流運動、流體的可壓縮性、流體 溫度與顆粒溫度、顆粒的形狀、壁面的存在以及顆粒群的濃度等因素有關。所以，即使 顆粒是簡單的球形，除了相對速度很低以外，粘性阻力的解析式是無法推導的。