气垫带式输送机气垫流场理论基础与三维数值模拟
关键字：
气垫带式输送机/气垫流场
浏览次数：239发表时间：2015-05-29 00:00:00.0
气垫带式输送机气垫流场理论基础与三维数值模拟
庞明军1，张锁龙1，倪新跃2，杨勤根2
(1．江苏工业学院机械工程系， 江苏常州市213016；2．吴江江达机械
制造有限公司， 江苏吴江市215217)
摘要：为了弥补气垫流场理论研究的不足，对气垫气孔附近和横截面宏观出流的理论作了研究，并运用CFD软件，采用标准K-8湍流模型对实例进行模拟验证，结果表明理论解释与模拟结果基本相符。通过对同一实例5种气孔布置的数值模拟，给出气孔的最佳布置方式，为气垫输送机的设计工作，提供理论依据。
关键词：气垫带式输送机；气垫流场；数值模拟
中图分类号：TVl34，TVl42 文献标识码：A 文章编号：1005-2763(2007)01-0049-03
Theoretical Foundation of Air-cushion Flow Field and Its Three-dimensional Numerical Simulation for Air-cushion Belt Conveyor Pang Mingjun1, Zhang Suolong1, Ni Xinyao2, Yang Qingen2
( 1. Department of Mechanical Engineering, Jiangsu Poly-technical University, Changzhou, Jiangsu 213016, China;2. Wujiang Jiangda machine manufacture Co.,
Ltd. Wujiang, Jiangsu 215217 China)
Abstract: In order to make up shortage of study on air-cushion flow field, the theoretical researches on the airflow in the neighborheod of air-holes and the macro-flow in the cross section for air-cushion were carried out. An example was simulated by use of the standard K-εturbulent model as well as software CFD. The theoretical explanation was well consistent with the simulation results. By comparing the results of numerical simulations on five kinds of air-hole layout, the optimal layout pattern of air-holes was given; it provides a theoretical basis for the design of air cushion belt conveyor.
Key Words: Air-cushion belt conveyor, Air-cushion flow field, Numerical simulation
气垫带式输送机与通用带式输送机及托辊压带式输送机相比，具有运行平稳可靠、运行阻力小、能耗低、承载面积大、结构简单、制造维修费用低、基建费用少、可采用型带、易于实现密闭输送、粉尘污染小等优点。近年来，槽形气垫带式输送机在国内已广泛应用于煤炭、冶金、化工、电力、建材、粮食、食品、港口、矿山及工厂内部各部门输送各种散状物料[1-5]。气垫带式输送机是以气垫代替传统的托辊，形成非接触连续支承，因此稳定可靠的气垫形成是气垫带式输送机正确设计和可靠运行的关键因素。到目前为止，国内外对气垫带式输送机的开发做了大量的工作，但针对气垫流场的理论研究却不多，为了使设计者能进一步认识气垫流场的流动规律，为设计提供帮助，为此做了相应的工作。
1 气垫流场理论基础[6]
限于气垫带式输送机工作时形成的气垫流场的特点，如图l所示在Z方向上尺寸很小，理论最大值约为4mm，气垫的横向长度(也就是输送带的带宽)大约为500～1400mm，由此可知，其长宽比约为125～350。因此，气垫的横向流动可看作为典型的流体缝隙流动，可以用流体力学中缝隙流动的相关知识作为理论研究基础。
1．1气孔附近气体流动模型
因为气垫气孔附近气垫厚度变化很小，所以气孔附近气体的流动可以看作是平行圆盘问的径向缝隙源流流动(见图2)。圆盘径向缝隙流动时，流动对称于z轴，由于气垫厚度很小，可以认为uθ=0； uz=0；ur=u，这样用圆柱坐标表示的N-S方程可
1．2气体在横截面上的出流模型
当气孔附近的流动趋于稳定后，由于输送带在长度方向上尺寸很大，而且输送带不做运动时，气流的主体流动主要是沿着输送带宽度方向的流动(图1中的X方向)，这样气垫的整体流动可以简化为两平板均固定不动的缝隙流动，如图3所示。因为气室盘槽半径远远大于气垫的厚度，且气垫的厚度沿带宽方向上不一致，一般为中间厚，两边窄，因此可以把盘槽看作为水平放置的平板，输送带看作为与盘槽成一定角度的平板(见图3)。
2 气垫流场三维数值模拟
2．1模型建立
几何建模时，以图l坐标系为基准，作半径为500mm，盘槽槽角为(-350～350)的一段圆弧作为盘槽；设计时取气垫两端出口处的气垫厚度为0．5mm，中心处气垫的厚度取最小厚度的7倍，根据这3点做出一段圆弧作为输送带；最后以输送带和盘槽为边做出气垫厚度的横截面，在z方向再给一定的厚度就形成完整的气垫模型。出于对称性，模拟时只取部分作为几何模型(气孔直径都取3mm)，如图4所示。
2．2 网格划分与边界条件的设置
网格划分采用四面体单元的混合单元生成的结构网格。在盘槽气孔处施加压力进口边界条件，绝对压力为1500Pa；在气垫出口处施加压力出口边界条件，绝对压力为400Pa；在对称边上设置对称边界条件。
2．3控制方程与求解方法
因气垫的压力很小且流速不高，在此视空气为不可压缩的流体，视其密度为常数，控制方程采用不可压缩流动的N-S方程[7]。
求解采用三维非耦合求解方法，湍流模型选择标准的K-ε模型，整个流场采用SIMPLE方法求解，动量方程、K方程和ε方程都采用迎风格式离散。
2．4数值模拟结果分析
2．4．1气垫速度与压力分布情况
分析模拟结果可以得出，气孔附近气体流动与平行圆盘问的径向缝隙源流流动基本相符；沿横截面的宏观出流与两固定而不平行平板的缝隙流动相类似，这说明可以用前面给出的理论知识来解释气垫流场的流动。通过压力与速度矢量分布的整体对比可以得出：
(1)从气孔出来的气流速度大约在其两倍的半径范围内迅速减小，这说明气孔中心距只有小于气孔半径的两倍气体流动才会产生明显的干涉；
(2)不同的气孔布置，会得到不同的气垫速度和压力分布，而且气孔布置越密，同一横坐标处气垫的压力越大；
(3)同样的气孔数量，开双排孔所得到的气垫压力要比只在中心开孔得到的气垫压力大得多。
2．4．2气垫压力沿横截面的变化情况
图6分别给出5种气孔布置的气垫压力和由静力平衡得到的气垫理论压力沿横截面的分布曲线。图中曲线编号1，2，3，4，5与图5中的(1)、(2)、(3)、(4)、(5)相对应。从图6可以看出气垫压力的理论分布曲线与数值模拟得到的分布曲线形状不一样，主要原因有：
(1)在推导气垫压力的理论计算公式时，把输送带上物料的最大堆积面积看作是由两段圆弧组成的[8](见图1)；
(2)目前对气垫厚度沿横截面的分布认识不足，导致模拟建模时存在误差。然而在实际设计中，各种物料所形成的最大堆积面积形状不同，希望气垫的压力分布尽可能的均匀，这与模拟结果给出的压力分布相吻合。
另外，为了使输送机能够正常工作，必须使模拟得到的压力曲线与横坐标所围成的面积大于理论曲线与横坐标围成的面积，也就是由气体提供的支撑力要大于等于物料自身的重量。从图5可以看出，曲线l，2和3与横轴所围成的面积都大于理论曲线与横轴所围成的面积，这说明按照图5中的(1)、(2)和(3)布置气孔都符合设计要求。从节约能耗方面来考虑，按照图6中的(3)布置气孔比其余两种更合理。
3 结 论
(1)通过模拟验证，表明所给的理论知识可作为气垫带式输送机气垫理论研究基础；
(2)如果气孔中心距小于气孔半径的两倍，那么气体流动会产生明显的干涉；
(3)不同的气孔布置，会得到不同的气垫速度和压力分布，而且气孔布置越密，同一横坐标处气垫的压力越大；
(4)同样的气孔数量，开双排孔所得到的气垫压力要比只在中心开孔得到的气垫压力大得多。
参考文献：[1]宋伟刚，彭兆行．气垫带式输送机的设计与计算(I)[J]．矿山机械．1994．(6)：12～15．
[2]余建山．气垫带式输送机的发展与应用[J]．中国铸造装备与技术，1996，(6)：10—13．
[3]井然哲，王鹰．DD型气垫带式输送机系列[J]．港口装卸，1998，(3)：17—18．
[4]孟文俊，曾晨，等．DD型气垫带式输送机的选用[J]．水泥技术，1999，(2)：27—29．
[5]杨宏胜．DD型气垫输送机[J]．山西建材，1999，(2)：39～41．
[6]钱汝鼎．工程流体力学[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1989．
[7]陶文铨．数值传热学[M]．西安：西安交通大学出版社，2001．
[8]宋伟刚，彭兆行．气垫带式输送机的设计与计算(Ⅲ)[J]．矿山机械，1994，(8)：42～47．
