一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法

摘要

本发明公开了一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于：步骤如下：1)、通过高速摄像试验观察出料管中物料的运动规律，结合理论分析建立出料管中物料运动的数学模型；2)、采用欧拉‑拉格朗日法对出料管中的气固两相流动进行数值仿真，其中物料运动规律采用用户自定义函数，为上述已建物料运动数学模型，并将数值仿真结果与高速摄像试验结果比较验证其可靠性；3)、在相同工况情况下，选取出料管结构形状及参数，对其内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管的运动速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果。本发明缩短了开发周期，而且提高了设计效率、设计质量和一次开发的成功率。

主权项

一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于：步骤如下：1)、通过高速摄像试验观察出料管中物料的运动规律，结合理论分析建立出料管中物料运动的数学模型；2)、采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉‑拉格朗日法对出料管中的气固两相流动进行数值仿真，其中物料运动规律采用用户自定义函数，为上述已建物料运动数学模型，并将数值仿真结果与高速摄像试验结果比较验证其可靠性；3)、在相同工况情况下，选取出料管结构形状及参数，对其内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管的运动速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果；所述步骤1)中建立抛送装置出料管内物料运动的数学模型：由高速摄像试验可观察到物料颗粒离开抛送叶片后，以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，直到与出料弯管上壁碰撞，然后以密集的方式沿弯管上壁运动直至被抛离出料管；(1)物料颗粒刚离开抛送叶片时，受到的离心力远大于气流所受到的离心力，因此物料速度υ_p大于气流平均速度υ_a，气流对物料的作用力P_a为气动阻力，方向与物料运动方向相反；物料在重力、摩擦碰撞阻力及气动阻力作用下以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，其速度逐渐下降，当下降到低于气流速度时，气流对物料产生向上的气动力，维持物料向上的速度；出料直管内物料运动的方程式为：$m_p\frac{d^{2}l}{{\mathrm{dt}}^2}=P_a-m_{p}g---\left(1\right)$方程式中，mp为物料颗粒质量，单位为kg；l为颗粒流运动路径，单位为m；t为颗粒运动时间，单位为s；g为重力加速度，单位为m/s2；Pa为气动力，单位为N；其中υs为物料颗粒悬浮速度，单位为m/s；(2)物料进入出料弯管后与其外管壁碰撞，设碰撞为非弹性碰撞，碰撞后的平均速度为υ₂，则$\frac{1}{2}{m}_p{\upsilon }_2^2=\frac{1}{2}{m}_p{\upsilon }_1^2-1/2m_p{\upsilon }_1^2{\sin }^2\alpha +m_p{\upsilon }_1{\mathrm{sin\alpha f\upsilon }}_m---\left(2\right)$式中，υ₁为物料与管壁碰撞前的平均速度，单位为m/s；α为碰撞角；f为物料与管壁的摩擦系数；υ_m为碰撞过程中的平均速度，单位为m/s；(3)物料与管壁碰撞后在离心力的作用下，与气流分离，在重力m_pg、离心力及摩擦力作用下，以密集的方式沿弯管上壁运动，物料运动方程为：$m_p\frac{d^{2}l}{{\mathrm{dt}}^2}+m_{p}gcos\frac{l}{r}+f[\frac{m_p}{r}{\left(\frac{dl}{dt}\right)}^2-m_{p}gsin\frac{l}{r}]=0---\left(3\right)$式中，r为出料弯管外壁曲率半径，单位为m；所述步骤2)中基于欧拉‑拉格朗日法建立出料管中气固两相流动数值仿真模型：选取整个叶片式抛送装置的流动空间作为计算区域，在CFD的前处理软件GAMBIT中生成计算区域的实体模型，并对计算区域进行网格划分；计算区域的进Ι口设为速度进口边界条件，出口设为压力出口，给定标准大气条件作为压力边界值；采用欧拉‑拉格朗日法模拟出料管内的气固两相流动，即在欧拉坐标系下考察气流的运动，在拉格朗日坐标系下研究固体颗粒的运动；选取Fluent软件中的DPM(Discrete Phase Model)模型，考虑物料流和气流的相互作用，采用耦合计算；其中出料管中物料运动规律采用用户自定义UDF(User‑Defined Functions)函数，为上述已建物料运动数学模型；将数值模拟结果与出料管内物料运动的高速摄像试验结果比较，验证数学模型及数值计算结果的可靠性。