具体实施方式

一种气力输运用的非对称球形管道弯头，如附图1、附图2、附图3所示，包括球形管道弯头1，与球形管道弯头1连通的进料管道2呈水平布置，且两者在球形管道弯头1的左前下部衔接；与球形管道弯头1连通的出料管道3呈竖直布置，且两者在球形管道弯头1的左后上部衔接；其中，所述球形管道弯头1的内径为240mm；进料管道2的内径与出料管道3的内径D一致，且两者的内径D均小于等于100mm；设定球形管道弯头1的球心到出料管道3轴线的距离为管道偏心距E，所述管道偏心距E小于等于75mm。

本发明设计了一种气力输运用的非对称球形管道弯头，由于球形管道弯头1的进料管道2与出料管道3的轴线并不对称，气体在球形管道弯头1内的流动呈3D涡状结构，如附图4、附图5、附图6、附图8、附图10所示，使得颗粒进入球形管道弯头1产生旋流，即出口处颗粒为旋流。在旋流作用下球形管道弯头1内的颗粒分成三类状态：进口颗粒A、内部循环颗粒B、出口颗粒C。高速的进口颗粒A进入球形管道弯头1后先与低速的内部循环颗粒B混合，在内部循环颗粒B和涡流的共同作用下降速变相，冲入堆积颗粒垫，避免与壁面碰撞。进口颗粒A与球体内壁颗粒呈30°-60°碰撞缓冲、降速后汇入内部循环颗粒B。在涡流的推动下内部循环颗粒B沿球形管道弯头1的球体内壁循环流动。当内部循环颗粒B经过出口时，一部分内部循环颗粒B随着气流从出口流出形成出口颗粒C；另一部分内部循环颗粒B则沿球形管道弯头1的球体内壁循环流动，与入口处的进口颗粒A再度混合，进入下一个循环。由此可知颗粒流经降速、碰撞缓冲，且球体较大的面积和空气涡旋使单位面积碰撞次数相对较少，冲蚀速率较普通管道弯头有明显减小。由于右侧内部循环颗粒B的缓冲作用，避免了颗粒的直接碰撞，一定程度上能够保护颗粒，减少颗粒的破碎。

将本发明与普通管道弯头比较，分析本发明的颗粒流动、冲蚀特性，产生机理及分析过程如下：

其一：本球形管道弯头的颗粒流动特性：

颗粒在普通管道弯头、本球形管道弯头中的运动状态如附图7、附图4所示；在普通管道弯头中大颗粒流动性不佳，在惯性力的作用下沉积在管道内壁一侧，使得贴近壁面的颗粒气动效率低，速度慢；而本球形管道弯头由于气体流动呈现特殊的3D涡状结构，出口处颗粒为旋流，在离心力的作用下颗粒均匀分布四周，有着优秀的散布，气动效率佳，颗粒速度高。本球形管道弯头的出口处颗粒流为旋流，能够有效解决后续输送临界气流速度高、颗粒破碎、管道堵塞、管壁磨损等问题。

其二：本球形管道弯头的冲蚀特性：

颗粒对普通管道弯头、本球形管道弯头的冲蚀如附图9、附图10、表1所示；从中可以看到：在普通管道弯头中颗粒冲击速度高，冲蚀位置相对集中，冲蚀率较高；在本球形管道弯头中颗粒的冲击速度低，冲蚀位置分散，冲蚀路线是颗粒的旋流路线，最大冲蚀率较普普通管道弯头减小了43％左右。

其三：本球形管道弯头涡流对颗粒的保护特性

通过统计1秒内与壁面碰撞力大于2N的颗粒，判断颗粒的受损。碰撞力大于2N的颗粒越少，颗粒越不容易碎裂。受损颗粒的统计结果显示，普通管道弯头中碰撞力大于2N的颗粒个数为6500，本球形管道弯头中碰撞力大于2N的颗粒个数为6100。分析可知：普通管道弯头颗粒虽然碰撞速度快，但碰撞时与壁面呈一定角度，所以碰撞力较小，能对颗粒起到一定保护作用。在本球形管道弯头中，经混合、缓冲、变向后，颗粒以一定角度与壁面发生碰撞，所以碰撞力较小。经比较，本球形管道弯头防颗粒破碎的性能略强于普通管道弯头。

球形管道弯头1输运颗粒时，空气流速V大于等于20m/s；颗粒的直径d小于等于6mm、密度为600kg/m³、剪切模量为20MPa、弹性模量为50MPa、初始速度为15m/s、质量流量小于等于1.3kg/s。

所述进料管道2、所述出料管道3的内径D的选取范围均为小于90mm；所述管道偏心距E的选取范围为小于52mm；所述空气流速V的选取范围为大于25m/s；所述颗粒直径d的选取范围为小于5mm；

上述参数是通过正交实验来选取的，具体选取过程是采用如下步骤来实现的：

S1：球形管道弯头1颗粒流动与损伤分析方法的确定：

S1.1：采用离散元方法分析颗粒在球形管道弯头1内的运动过程，其中，颗粒离散元的控制方程为：

其中，m_p、ν_p、I_p和ω_p分别为颗粒的质量流量、平动速度、转动惯量和角速度；g为重力加速度；F_wp、F_pp和M_p分别为壁面对颗粒的力、颗粒之间的作用力和颗粒所受力矩；F_f为流体对颗粒的作用力；

S1.2：采用计算流体动力学方法分析气体在球形管道弯头1内的流动过程和涡流的结构；流体力学N-S方程为：

其中，ρ为气相密度；v_i、v_j为气相速度分量；x_j为空间坐标；P为压力；τ_ij为应力张量；ρg_j为重力分量；S_D为离散相的附加动量项；

S1.3：采用计算流体动力学与离散元耦合的方法，分析在球形管道弯头1内气体和颗粒的流动过程以及颗粒和气体涡流的相互影响；其中，为表征颗粒对流体的影响，在流体力学N-S方程中增加颗粒离散相对动量影响的附加动量项S_D；为表征流体对颗粒的影响，在颗粒离散元方程中增加流体对颗粒的作用力F_f；

S1.4：采用Oka冲蚀模型的经验公式计算颗粒冲刷下球形管道弯头1的管壁的冲蚀率，所述冲蚀率公式为：

其中，R_e为壁面磨损速率；N_p为碰撞颗粒数目；m_p为颗粒质量流量；C(d_p)为颗粒属性相关函数；θ为颗粒对壁面的碰撞角；f(θ)为碰撞角对磨损影响的函数；u为颗粒相对于壁面的速度；b(v)为相对速度函数；A_face为壁面面积；

S2：管道偏心距E的选取：

设定D＝90mm、d＝5mm、V＝25m/s，利用计算流体动力学软件和离散元软件耦合分析当E＝52mm、63.5mm、75mm时球形管道弯头1内部颗粒流动特性，其中E＝75mm时出料管道3与球形管道弯头1内壁相切；

分析结果显示：a)不同管道偏心距E下球形管道弯头1的内壁冲蚀云图如附图11所示，E＝52mm、63.5mm、75mm时，最大冲蚀率分别为3.76、5.71、16.5，所述最大冲蚀率的单位为10^-4kg/(m²s)；管道偏心距E越小碰撞角越大，使得冲蚀率较小，当管道偏心距为52mm和63.5mm时，内部循环颗粒B的缓冲作用，避免了颗粒与管壁的直接碰撞，进从保护了管壁。当管道偏心距为75mm时，出料管道3与球形管道弯头1内壁壁面相切，颗粒进入球形管道弯头1后直接与管壁相碰，没有缓冲，故冲蚀较为严重，冲蚀云图与普通管道弯头相似呈倒V型。b)不同管道偏心距E下球形管道弯头内部、出口颗粒的速度分布图如附图12所示，当管道偏心距为52mm和63.5mm时，颗粒进入球形管道弯头1与内部循环颗粒B相碰缓冲，损耗部分能量，出口颗粒速度降低。当管道偏心距为75mm时，出料管道3与球形管道弯头1内壁壁面相切，颗粒进入球形管道弯头后直接与管壁相碰，没有与内部循环颗粒B缓冲，故能量损耗相对较小，颗粒出口速度较高。说明适当的减小管道偏心距能在气体总能量不变的情况下提高出口颗粒的速度。c)E＝52mm、63.5mm、75mm时，球形管道弯头1内部颗粒的平均总能量分别为53、54、62，所述平均总能量的单位为10^-5J；

S3：颗粒直径d的选取：

设定D＝90mm、E＝63.5mm、V＝25m/s，利用计算流体动力学软件和离散元软件耦合分析当d＝4mm、5mm、6mm时球形管道弯头1内部颗粒流动特性；

分析结果显示：a)不同颗粒直径d下球形管道弯头1的内壁冲蚀云图如附图13所示，颗粒直径d为6mm时球形管道弯头1内壁冲蚀高于颗粒直径d为4mm、5mm时；d＝4mm、5mm、6mm时，最大冲蚀率分别为5.88、5.71、6.82，所述最大冲蚀率的单位为10^-4kg/(m²s)；b)不同颗粒直径d下球形管道弯头1内部、出口颗粒的速度分布图如附图14所示，d＝4mm、5mm、6mm时，颗粒直径d越大，颗粒质量越大，球形管道弯头1出口颗粒的速度越小；

S4：进料管道2、出料管道3的内径D的选取：

设定d＝5mm、E＝63.5mm、V＝25m/s，利用计算流体动力学软件和离散元软件耦合分析当D＝80mm、90mm、100mm时球形管道弯头1内部颗粒流动特性；

分析结果显示：a)不同D值时球形管道弯头1的内壁冲蚀云图如附图15所示，D＝80mm、90mm、100mm时，最大冲蚀率分别为5.1、5.71、4.67，所述最大冲蚀率的单位为10^-4kg/(m²s)；D＝90mm时，冲蚀最大；D＝80mm和D＝100mm时，冲蚀较小。另外，各内径D值下冲蚀率差别不大，冲蚀位置也基本一致。b)不同D值时球形管道弯头1内部、出口颗粒的速度分布图如附图16所示，D＝80mm、90mm、100mm时，进料管道2、出料管道3的内径D越大，球形管道弯头1出口颗粒的速度越小，原因在于：内径D的增加，一定程度上增加了进料管道2、出料管道3与球形管道弯头1中心之间的距离增加，使得颗粒在球体内部的行程增加，能量损耗随之增加，使得出口颗粒速度变低。c)D＝80mm、90mm、100mm时，球形管道弯头1内部颗粒的平均总能量分别为52、54、30，所述平均总能量的单位为10^-5J；

S5：空气流速V的选取：

设定d＝5mm、E＝63.5mm、D＝90mm，利用计算流体动力学软件和离散元软件耦合分析当V＝20m/s、25m/s、30m/s时球形管道弯头1内部颗粒流动特性；

分析结果显示：a)不同空气流速V下球形管道弯头1的内壁冲蚀云图如附图17所示，V＝20m/s、25m/s、30m/s时，最大冲蚀率分别为5.5、5.71、8.0，所述最大冲蚀率的单位为10^-4kg/(m²s)；随着空气流速V的增加，颗粒速度也增加，管道冲蚀率增加。b)不同空气流速V下球形管道弯头内部、出口颗粒的速度分布图如附图18所示，V＝20m/s、25m/s、30m/s时，空气流速V越大，球形管道弯头1出口颗粒的速度越大；空气流速V增加颗粒速度增加，出口颗粒速度增加，颗粒平均能量与速度平方成正比，空气流速V从20m/s增加到30m/s时平均能量呈平方增加。c)V＝20m/s、25m/s、30m/s时，球形管道弯头1内部颗粒的平均总能量分别为52、54、98，所述平均总能量的单位为10^-5J。

实施例1

一种气力输运用的非对称球形管道弯头，包括球形管道弯头1，与球形管道弯头1连通的进料管道2呈水平布置，且两者在球形管道弯头1的左前下部衔接；与球形管道弯头1连通的出料管道3呈竖直布置，且两者在球形管道弯头1的左后上部衔接；其中，所述球形管道弯头1的内径为240mm；进料管道2的内径与出料管道3的内径D一致，且两者的内径D均为100mm；设定球形管道弯头1的球心到出料管道3轴线的距离为管道偏心距E，所述管道偏心距E为75mm。

球形管道弯头1输运颗粒时，空气流速V为30m/s；颗粒的直径d为6mm、密度为600kg/m³、剪切模量为20MPa、弹性模量为50MPa、初始速度为15m/s、质量流量为1.3kg/s。

实施例2

一种气力输运用的非对称球形管道弯头，包括球形管道弯头1，与球形管道弯头1连通的进料管道2呈水平布置，且两者在球形管道弯头1的左前下部衔接；与球形管道弯头1连通的出料管道3呈竖直布置，且两者在球形管道弯头1的左后上部衔接；其中，所述球形管道弯头1的内径为240mm；进料管道2的内径与出料管道3的内径D一致，且两者的内径D均为80mm；设定球形管道弯头1的球心到出料管道3轴线的距离为管道偏心距E，所述管道偏心距E为52mm。

球形管道弯头1输运颗粒时，空气流速V为20m/s；颗粒的直径d为4mm、密度为600kg/m³、剪切模量为20MPa、弹性模量为50MPa、初始速度为15m/s、质量流量为0.8kg/s。

实施例3

一种气力输运用的非对称球形管道弯头，包括球形管道弯头1，与球形管道弯头1连通的进料管道2呈水平布置，且两者在球形管道弯头1的左前下部衔接；与球形管道弯头1连通的出料管道3呈竖直布置，且两者在球形管道弯头1的左后上部衔接；其中，所述球形管道弯头1的内径为240mm；进料管道2的内径与出料管道3的内径D一致，且两者的内径D均为90mm；设定球形管道弯头1的球心到出料管道3轴线的距离为管道偏心距E，所述管道偏心距E为63.5mm。

球形管道弯头1输运颗粒时，空气流速V为25m/s；颗粒的直径d为4mm、密度为600kg/m³、剪切模量为20MPa、弹性模量为50MPa、初始速度为15m/s、质量流量为1.0kg/s。