密相粉体输送中颗粒-气体阻塞流的数值研究

《Aerospace Science and Technology》：Numerical Study of Particle-gas Choked Flow in Dense-phase Powder Conveying

　　

杨世凡|张海滨|白博峰

中国陕西省西安市710049，西安交通大学化学工程与技术学院，动力工程多相流国家重点实验室

摘要

在粉末输送系统的出口处维持密相气固阻塞流对于粉末燃料引擎的高效稳定运行至关重要。本研究采用计算流体动力学与离散元方法相结合的数值模拟手段，对阻塞喷嘴出口处的两相流进行模拟，旨在揭示其背后的传输机制。研究结果表明，在两相阻塞传输状态下存在最大颗粒质量流量，这一状态属于受积聚效应控制的模式，且不受来流条件的影响，从而可实现更高效稳定的输送。在速度场和颗粒分布场中均存在显著的相间及相内不均匀性，具体表现为速度滑移比为0.42，颗粒分布的香农熵降低了4%。值得注意的是，这些不均匀性出现在喷嘴喉部上游，这与流量预测中通常采用的均匀流假设相矛盾。与同等直径的直管相比，合理设计的下游扩张角可通过提高喉部附近的颗粒速度来提升最大质量流量，同时还能改善固气质量流量比并提高流动稳定性。不同扩张角下，上游气体压力对质量流量的影响相似；不过直管结构在高压力条件下会加剧流动不稳定性。通过阐明这些控制机制，本研究深化了对密相阻塞流的理解，为粉末输送系统的优化提供了具有工程实用价值的见解。

引言

固体粉末燃料是通过表面涂层、团聚以及多组分配方等方法，将镁、铝、硼等高热值材料加工成粉末而得到的。这一工艺在保持传统固体燃料优点——高密度、安全性、宽温度适应性以及长期储存性[1]、[2]——的同时，还显著提升了能量密度。此外，以粉末为燃料的引擎具备灵活的推力调节能力以及启停可控性，极大提升了飞行器的机动性，使其成为未来推进技术发展的重要方向[3]、[4]、[5]。因此，实现固体粉末燃料的稳定、可控且高效输送是这类引擎系统的关键技术，也是确保高效燃烧的重要前提。所以，有必要弄清密相粉末输送中的气固两相流机制，以便预测颗粒的流出速率和状态，进而为输送系统设计提供指导。

如图1所示，粉末引擎中的粉末输送过程可根据气固流动特性分为三个阶段：气体驱动活塞推动密集堆积的粉末、高压气体使粉末流化，以及两相混合物通过喉部流入燃烧室。其中，喉部区域连接着粉末室和燃烧室，其流动状态决定了腔体内的推动和流化条件，进而影响下游的两相流状态，因此成为相关研究的核心关注点。由于燃烧室内的压力较高且存在压力波动，因此在输送系统出口附近维持阻塞流是一种常见的保障输送稳定性的策略[6]。与纯气体流动类似，当上游流体的压力比超过某一临界值时，就会发生气固阻塞流，此时上游流动状态不再受下游条件的影响。利用气固阻塞流特性，可以确保输出粉末流量不受系统设计及运行条件之外的因素影响，从而在不同的运行环境下都能保持所需的流量值。

粉末火箭引擎中的燃料粉末输送与化工行业中的粉末输送有着本质区别。除了系统结构不同外，粉末火箭引擎的输送还具有高压比、细颗粒密相流动以及严格的流量控制要求等特点。这些独特特性使得传统理论很难直接应用。许多研究者试图为两相流过程建立理论模型。王某通过等直径管道实验，验证了基于均匀流假设的气体阻塞公式[7]，并根据实验结果提出了临界阻塞压力比，同时针对过高估计实际粉末流量的理论预测给出了修正方法。类似地，李某在等直径管道实验中研究了不同固气比对空气-树脂粉末流的质量流量与滞止压力之间的关系，得出了阻塞开始时的临界压力比[8]。这些研究都基于均匀流假设，忽略了各相之间的实际速度和温度差异。孙某通过在流动预测公式中引入速度滑移系数来解决这一问题[9]。然而，粉末引擎系统中的燃料输送通常涉及活塞-料仓结构中的颗粒密相输送，这与上述理论中所假设的直管输送有很大差异，导致这些理论在实际应用中的准确性和实用性存在问题。一些研究者从其他角度尝试建立模型。考虑到粉末输送的系统特性，孙某将气体流化能力与质量流量联系起来，推导出了考虑气体卷吸能力的启动阶段流动预测公式[10]。吴某则利用实验数据，为他们的多孔活塞装置以及燃烧室前部的流动控制建立了基于伯努利原理的流动预测公式[11]。杨某基于垂直输送系统的粉末压缩方程提出了粉末质量流量模型，用于准确预测稳定供应过程中的流动情况[12]。不过，这些模型都是针对特定的输送结构和运行条件建立的。由于受到实验测量技术的限制，它们无法深入探究颗粒密相输送的机制，因此适用范围较为有限。

虽然在粉末输送研究中，颗粒流量已经得到了较多关注，但关于颗粒流出状态的研究相对较少。实验表明，输送系统中的流动存在较大波动，这可能会影响燃烧稳定性[12]。李某对固体火箭发动机中收敛-发散喷嘴周围的两相流进行了模拟，预测了喷嘴壁附近“无颗粒区”的范围[13]。丁某则聚焦于粉末燃料的喷射过程，模拟了铝粉在喷嘴中的流动，比较了不同喷嘴收敛角度下的颗粒速度和浓度分布，并分析了这些参数与收敛角度、颗粒碰撞以及气固阻力的关系[14]。丁某还利用高速阴影图技术研究了不同喷射压力下粉末燃料射流的宏观行为，并通过模拟分析了流场结构以及气固相互作用。总体而言，目前对于喉部处颗粒阻塞机制的理解仍然不够充分[15]。因此，阻塞流的预测仍然基于相对理想的假设，与实际流动情况存在较大偏差。例如，颗粒在流经喉部区域时分布不均匀且会出现波动[16]、[17]。此外，关于输送结构对流动影响的研宄也较为有限，基于公式进行的流动预测精度也不够高[18]。而且，由于这些预测依赖于体积分数和质量分数等参数，而这些参数在实验中难以直接测量，且会随运行条件变化，因此其实际应用价值有限。

由于实验测量技术本身存在局限性，要研究颗粒密相流的底层流动机制难度较大。因此，本研究采用数值模拟方法，来分析粉末输送系统喉部出口处的两相流动态。目前的科研工作主要采用两流体模型，该模型非常适合用于分析大型系统中的大规模颗粒流动。不过，这种方法无法清晰展现单个颗粒之间或颗粒与壁面之间的详细相互作用，因而无法提供足够详细的内部流动信息。此外，由于其本构方程存在一定的局限性，两流体模型在描述本研究中的流动转变过程时精度不足——在这一过程中，颗粒状态会从密集堆积的床层逐渐变为流化的密相流，最终变为稀薄的高速流[17]、[19]。因此，在第2节中，本研究采用了在气粉研究领域已被广泛应用的计算流体动力学与离散元方法来对流场进行建模。该方法能够详细再现从上游两相流入到下游颗粒排出的整个输送过程。基于这一数值框架，第3.1节分析了不同上游流量下喉部处两相阻塞流的演变过程及其峰值特征。第3.2节进一步阐明了峰值流动状态的形成机制及其后续的传输行为。为了系统研究关键参数对峰值传输特性的影响，第3.3节分析了出口结构（扩张角）的作用，第3.4节则探讨了上游流化气体压力的影响。

章节节选

CFD-DEM模型

欧拉-拉格朗日方法，也就是计算流体动力学与离散元方法，是将流体相视为欧拉框架下的连续体，通过求解体积平均的纳维-斯托克斯方程来进行建模。而固体相则被视作拉格朗日框架下的离散颗粒，每个颗粒的运动都遵循牛顿第二定律。本研究采用四向耦合的数值方法，能够同时考虑气固相互作用、颗粒间相互作用以及

喉部处两种不同的密相阻塞流模式

图5a展示了喉部最小横截面以及输送管道出口处固体相流量的变化情况，而图6则显示了多个时间点下轴向中平面上的颗粒体积分数。这两幅图共同呈现了从流场形成、颗粒注入到参考工况下稳定密相两相阻塞流建立的全过程。在初始颗粒注入阶段，由于

结论

本研究基于CFD-DEM模拟方法，研究了粉末输送系统出口区域内的密相两相流现象。研究了不同固气比条件下喉部处的阻塞流特性，并比较了下游扩张比与上游入口压力这两种关键流动控制参数对输送行为的影响。本研究得出的结论如下：

• 1)
  由于输送装置的几何结构限制，存在一个最大的颗粒流量值

未标注参考文献的图表

缺少参考文献标注的图9

CRediT作者贡献说明

杨世凡：写作——初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件使用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。 张海滨：写作——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。 白博峰：项目监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。