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秦浩然孟文俊太原科技大学太原摘要：利用Fluent软件对气垫带式输送机气膜和气室流场进行了仿真分析，得出管状气室和传统气室形成的气膜压力和速度。将管状气室结构改进为锥形气室结构，结果证明锥形气室的稳压性能比管状气室更好。为气垫带式输送机气室结构提供了理论依据。关键词：气垫带式输送机；管状气室；锥形气室中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：-（）21--气室结构的发展气垫带式输送机在粮食的存储和运输上具有天然的优势，使得其在散粮输送和仓储系统中应用非常广泛。气室作为气垫带式输送机的关键部件，合理的气室结构能够提供稳定的压力气流，提升气垫的承载能力，减少能力的损失。工程中最常见的气室的结构多为矩形和月牙形[1~3]。如图1所示，矩形气室的形状简单，制造成本低，但气室截面较大，容易形成气旋，结构刚度差，使用过程中容易发生形变，影响气膜稳定。主要用于小带宽气垫带式输送机。图1矩形气室图2月牙形气室如图2所示，月牙形气室是在矩形气室的基础上的改进，缩小了气室的截面积，气室的刚度与矩形气室基本相同，气体流量损失相比矩形气室小，降低了能量损失。主要用于1m以上的大带宽中。近年来，孟文俊提出了管状气室结构，如图3。管状气室与盘槽形成一个整体，解决了盘槽刚度不足的问题。压力容器受压时的应力状态，说明曲线气室更适合承受内部压力，稳定性更好。同时降低了气室内涡流的产生，减少了气室内能量的损失[4]。图3管状气室气文中在此基础上将管状气室结构改进为锥形气室结构，通过仿真证明锥形气室的稳压效果好于管状气室，更有利于气膜的稳定。2气体流场理论基础气膜厚度与输送带的宽度之比为～，且气膜为中间厚两边薄，因此将气膜内气体流动简化为锲形平板缝隙流动[5,6]，如图4。图4气膜简化模型2.1气垫中气体流动规律取气膜中气体微元，如图5。忽略气体质量和惯性的影响，只考虑压力和气体流动阻力，作受力平衡得式中：z为气膜中距离盘槽的高度，p为气膜中所取微元处的压力，dp为气膜内沿着x方向的压力增量，dx为沿输送带宽度方向的增量，τ为气体层间的粘性力。图5气垫流场计算模型考虑气体粘性导致沿气膜厚度方向的气体流速不同，有式中：μ为气体粘度，vx为沿输送带宽度方向的气流速度。根据边界条件：当时z=0，vx=0；当时z=H，vx=0，得气膜内部任意位置x处，沿气膜厚度方向上气流速度vx与气膜压力的关系为式中：H为气膜厚度。沿x方向上，气垫任意位置x处气体的流量qx为同理可知沿输送带运行方向气体的速度分布规律。代入边界条件：当z=0时，vmy=0；当z=H时，vmy=vd得式中：vmy为沿输送带运行方向的气流速度，vd为输送带运行速度。沿输送带运行方向的气体流量qmy为根据以上公式可知，气体沿输送带带宽方向的流动属于压差流动，沿输送带运行方向的气体流动属于剪切流动。气垫带式输送机气垫中气体的扬程损失为式中：λ为沿程阻力系数，l为所研究气膜的长度，H为气膜厚度，ρ为流体的密度，v为流体的平均流速。根据孔口流出理论可知单个气孔的气体流量为式中：ξ为局部阻力系数，d1为气孔直径，qk为单个气孔的流量，Py为气室压力，Px为气膜压力。2.2气室的流动规律图6管状气室内空气流动图6中为管状气室的计算简图，根据流体力学的相关知识得到气室中任意位置y处的压力和速度为式中，Py为气室中任意位置y处的压力，Pin为气室入口压力，Q为输入气室的流量，Pk为盘槽气孔处流出的流量，r1为气室直径，ξ为局部阻力系数，λ为沿程阻力系数。3气体流场仿真3.1仿真参数设置按照带宽为mm，气室长度mm的气垫带式输送机盘槽和气室结构建模，盘槽上气孔采用交错布置，从中心向两端气孔直径依次为5.5mm、4mm、3mm。气孔纵向间距为mm，横向间距为80mm。图7和图8为管状气室结构和传统气室结构模型尺寸示意图。图7管状气室结构图8传统气室结构使用Fluent进行仿真。气垫带式输送机气流速度较低，可看作不可压缩流。空气粘度为7.9×10-6Pa·s。选择k-epsilon(2eqn)、pressure-Based求解模型。气垫带式输送机气膜和气室内气体流动处于湍流状态。3.2仿真结果3.2.1传统气室结构与管状气室对比在相同气室输入压力、出口压力和气孔分布的条件下，分别对传统气室结构和管状气室结构的气垫带式输送机进行仿真。图9为两种结构的静态压力分布。忽略气孔影响，管状气室结构的气膜中心静态压力约为Pa，传统气室结构的气膜中心压力约为1Pa，管状气室结构的气膜压力比传统气室结构的气膜压力增大20.6%。图9两种结构的静态压力分布图10为两种气室结构的气膜动态压力分布。从图中可以看出在气孔处，管状气室结构的气膜动态压力比传统气室结构更大。忽略气孔处的压力波动，两种气室的动压趋势基本相同，管状气室结构气膜动态压力波动程度大于传统气室结构。图10两种结构的动态压力分布3.2.2管状气室内气体流场状态通过分析可知管状气室形成的气膜压力更大，相对承载能力更强。取单支管状气室进行仿真，得到管状气室内气流沿着气室的速度分布情况，如图11。从0点开始，管状气室内气流速度随着气体在气室内流动距离的增大，气体的综合流动速度逐渐减小。气流速度在管状气室中波动较大。图11管状气室的速度分布图12为管状气室的动态压力分布。气室动态压力随着气体流动距离的增大动压逐渐降低转化为静压，动压是不稳定的转化为静压后更有利于气膜的形成。图12管状气室动态压力分布图13中，管状气室的静态压力分布，最大静压力为Pa，稳定后的最小静压力为Pa。管状气室平均压力变化为Pa/m，因此管状气室的压力波动较大。由于管路高压区和低压区的压力差过大，导致高压区形成的气膜较厚，低压区形成的气膜较薄，从而引发气膜的不稳定。气室压力的不均衡制约了单个气室的长度，同时使得运行阻力增大。图13管状气室静态压力分布3.3管状气室结构改进根据仿真结果可知管状气室存在压力波动较大的问题，为了解决这一问题在管状气室的基础上增加一定的斜度形成了如图14所示的锥形气室。图14锥形气室模型图将管状气室两端设计成不同直径的截面，以一定的锥度从气室的一端过渡到气室的另一端，如图14b为锥形气室直径小的一端，图14c所示为气室直径大的一端。锥形气室在不改变盘槽刚度的条件下，希望能够稳定气室的压力。3.3.1锥形气室流场理论推导图15锥形气室内空气流动图15为锥形气室的计算简图。在沿着气流流动的方向上气室的半径逐渐减小。根据公式9的到锥形气室中任意位置y处的压力中任意位置y处的压力式中：Py为气室中任意位置y处的压力，Pin为气室入口压力，Q为输入气室的流量，qk为盘槽气孔处流出的流量，R为气室直径，ξ为局部阻力系数，λ为沿程阻力系数，k为锥形气室的锥度。3.3.2锥形气室仿真结果与管状气室相同边界条件设置下，对锥形气室进行仿真得到了锥形气室内气流速度分布和压力分布。仿真结果如下：从0点开始，锥形气室内气流速度随着气体在气室内流动距离的增大，气体的综合流动速度逐渐减小。对比图11和图16中可以看出，管状气室中气流速度波动大，锥形气室中的气流速度波动较小。锥形气室中的气流随着流动距离的增加，气室截面积减小，一定程度上减弱了气流在气室中的波动程度。图17中锥形气室的最大静压力为Pa，稳定后的最小静压力为Pa。锥形气室的静态压力波动比管状气室减小约87%。管状气室平均压力变化为Pa/m，锥形气室平均压力变化为13.3Pa/m。与管状气室相比锥形气室的稳压效果明显，有利于气膜稳定。图16锥形气室速度分布图17锥形气室静态压力分布图18为锥形气室的动态压力分布。锥形气室动态压力的变化趋势与管状气室基本相同。对比图12可知锥形气室的动压波动小于管状气室。两种气室都存在动压转化为静压，有利于气膜的形成，因此锥形气室更具优势。测量两种气室的气体流量，锥形气室结构气体流量为0.kg/s，管状气室结构气体流量为0.kg/s，锥形气室结构比管状气室结构气体流量降低了11.8%。图18锥形气室动态压力分布4结论通过对不同气室结构流场的速度分布、压力分布可以得到以下结论：1）管状气室形成的气膜压力比传统气室更大，有利于提高气膜的承载能力。2）锥形气室的稳压能力更强，在锥形气室中的波动程度比管状气室中降低了87%。管状气室改成锥形气室更有利于气垫带式输送机气膜的稳定。本文只是证明了锥形气室的稳压能力比管状气室强，并没有优化锥形气室的锥度，后续可以继续优化。参考文献[1]王鹰，孟文俊，黄霞云，等.长距离大运量带式输送机关键技术及国内发展现状[J].起重运输机械，(11):1-3.[2]刘大昌.高速重载气垫带式输送机气膜形成机理及其实现[D].北京：北京交通大学，.[3]朱小龙.节能大输送量气垫带式输送机关键技术的研究[D].苏州：苏州大学,.[4]张立凯.气垫带式输送机新型气室的计算与仿真分析[D].太原：太原科技大学,.[5]庞明军,张锁龙,倪新跃,等.气垫带式输送机气垫参数分布规律[J].江苏工业学院学报,(04):27-29.[6]陈苏明.气垫带式输送机机理及应用研究[D].武汉：武汉理工大学,.[7]赵宪杰.管道气垫带式输送机设计方法研究及部件创新[D].太原：太原科技大学,.

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