文丘里喷射器在难处理矿石加工中流体场-颗粒运动-输送效率之间的协同作用机制：数值模拟与参数分析

《Practical Radiation Oncology》：Synergy mechanism of flow field-particle movement-conveying efficiency in venturi ejector for refractory ore processing: Numerical simulation and parametric analysis

　　田鹏程|孟向志|高鹏|唐志东|邢晓天|韩悦欣
中国沈阳110819，矿物加工国家重点实验室

摘要
作为气力输送系统的核心组件，文丘里喷射器的运行状态对于悬浮磁焙烧系统的顺畅运行至关重要。本研究采用了欧拉-拉格朗日方法结合计算流体动力学（CFD）进行数值模拟，深入分析了文丘里喷射器的流场特性和输送效率。模拟结果表明，在气固两相混合物在收缩段加速后，其在入口与主段连接处达到最大速度，形成锥形流型。当气体入口速度为28 m/s时，气固两相分布呈现“核-环”结构，即靠近壁面的颗粒浓度较高，而中心区域的颗粒浓度较低。此外，在气体速度为24 m/s时，文丘里喷射器的输送效率保持在约85%，同时总压力随气体速度的平方而增加。本研究为文丘里喷射器的结构优化和运行参数设计提供了可靠的理论基础。

引言
气力输送是一种利用高速气流通过管道输送沙子、石头、煤炭、谷物、水泥以及各种粉末和颗粒材料的工业方法[1]、[2]。该方法具有输送效率高、设备结构简单、维护方便且易于实现自动化等优点[3]。作为气力输送系统的核心功能部件，文丘里喷射器广泛应用于冶金、化工和能源等行业的颗粒物料输送中，包括炉内矿石喂料和粉末渣回收等工艺[4]、[5]、[6]、[7]。该设备具有结构紧凑、无运动部件以及气固混合效率高等特点。其性能直接影响气力输送系统的能耗、输送稳定性和物料处理效率。此外，喷射器内部的多相流场演变及耦合运动机制是影响其输送能力和经济性能的关键科学因素[8]、[9]、[10]。

东北大学（中国）在赞比亚建造了一座气悬浮焙烧炉，用于高效处理低品位和难处理的铁矿石[11]、[12]、[13]。设备设计和现场图纸见图1。图中用红色标记的位置即为本文研究的文丘里喷射器。该系统采用螺旋给料装置进行物料注入。鼓风机产生的正压气流通过喷射器的收缩段加速后迅速与颗粒混合，从而促进管道系统内粉末、颗粒等物料的输送。值得注意的是，整个气力输送系统年产量可达60万吨，并可连续运行330天。作为主要输送设备，文丘里喷射器的运行性能对确保整个煅烧系统的高效运行起着关键作用。为适应系统的整体运行特点，该文丘里喷射器的设计与传统结构有所不同：其下部（收缩段）较小，而中部和上部（过渡段和扩张段）的截面积较大。此外，采用了两级收缩结构，并设置了专门的颗粒注入口，形成与进料方式相匹配的非对称设计。在气相与颗粒混合之前，气体首先在I汇聚段加速。这种设计与传统的“先混合再加速”顺序截然不同。在文丘里喷射器中，气体速度这一核心运行参数直接影响气体动能传递效率及颗粒的运动行为。如果气体速度过低，颗粒可能在扩张段沉积导致管道堵塞；若气体速度过高，则气体的摩擦损失增加，造成能量浪费。此外，颗粒入口的质量流量与直径之间的差异会改变气体与固体相之间的阻力平衡、动量交换效率及压力损失分布[14]。例如，大颗粒因重力作用倾向于避免堆积，而细颗粒可能因粘性导致内部循环紊乱，这两种情况都会干扰设备的正常运行[15]、[16]、[17]。因此，分析气体速度和颗粒质量流量等参数对喷射器内流场、颗粒运动及输送效率的影响，对其结构设计和运行条件的优化具有重要的理论和工程价值。

数值模拟已成为研究文丘里喷射器宏观和微观现象的关键工具[18]、[19]，能够揭示系统内的复杂流动状态并评估创新设计和运行策略的可行性。欧拉-拉格朗日方法因能够准确捕捉颗粒的离散运动轨迹而广泛用于气固两相流的分析；而计算流体动力学（CFD）是一种用于分析容器内流体流动的强大算法，在工艺设计中得到广泛应用，可为研究提供可靠结果并缩短实验时间[20]、[21]、[22]。Fluent等商业软件的成熟发展为定量研究流场细节（如喉部负压区的形成和射流扩散模式）提供了必要工具[16]、[23]、[24]。刘等人[25]采用CFD-EDM-FEM耦合方法模拟了文丘里喷射器中非球形颗粒的碰撞特性和壁面应力响应，发现圆柱形颗粒碰撞更为剧烈，增加了损伤风险，为气力输送设备的优化提供了理论基础。丁等人[26]利用伴随方法优化了氢气喷射器结构，显著提升了喷射性能和氢气供应效率。然而，现有研究大多侧重于单相流动特性或传统文丘里装置的个别结构性能，缺乏关于流场演变、颗粒动态运动及多参数共同影响下的输送效率的系统性分析。另外，关于用于耐火铁矿石工业化悬浮焙烧系统的非对称文丘里结构的研究较为有限，对其独特的气固流动特性了解不足。此外，高进料速率下气固相的运行特性及最佳条件尚未得到明确揭示和评估。

基于此，本文以文丘里喷射器为研究对象，通过数值模拟进行多维度特性分析。首先，单向流模拟揭示了不同入口气体速度下喷射器内部的速度场和压力场演变过程；接着利用气固耦合模型跟踪颗粒轨迹，阐明喷射器作用下的加速、扩散和沉积机制；最后系统探讨了气体速度和入口颗粒质量流量对喷射器压力损失及颗粒浓度计输送效率的影响，确定了最佳运行参数，为文丘里喷射器的工业优化和运行设计提供了理论依据。

**几何模型**
本研究中的文丘里喷射器结构及参数见图2。文丘里喷射器由五个主要部分组成：I汇聚段、扩张段、过渡段、II汇聚段和颗粒喷射口。系统运行时，鼓风机吹送的气体通过I汇聚段在喉部加速；在颗粒喷射口附近形成负压区，使颗粒通过吸附进入喷射器。

**气体速度场分析**
在气力输送系统中，表观气体速度是指单位时间内气体流量与喷射器截面积的比值[38]。这表示气体的线速度，如公式（15）所示：
$$ u_g = \frac{Q_g}{A} $$
其中，$ Q_g $和$ A $分别表示气体流量和相应区域的截面积。在实际生产中，通常通过增加空气量来提高气力输送系统的输送能力。

**气体速度对流场分布的影响**
当入口颗粒的质量流量为0.3 kg/s，且气固两相流在不同气体速度下达到稳定状态时，文丘里喷射器内部流场的分布如图13所示。图13表明，低入口气体速度下，射流强度较弱，射流体被颗粒团簇严重扰动和压缩，导致流场稳定性差，形成“S”形分布。

**颗粒质量流量对流场和压力场的影响**
在气体速度为32 m/s时，颗粒的入口质量流量分别为0.05、0.10、0.20、0.30和0.50 kg/s，文丘里喷射器内部流场的速度分布如图19所示。总体而言，喷射器中心的流速远高于边缘，底部的流速明显高于顶部。随着颗粒质量流量的增加，射流的挤压效应增强。

**结论**
(1) 在文丘里喷射器的单相流场中，气体在通过I汇聚段后，在入口与主段的连接处达到最大速度，形成锥形流型；颗粒入口引入了射流不对称性。随着入口气体速度的增加，I汇聚段的压力上升（边缘处的压力高于中心），扩张段的负压区域扩大。
(2) 欧拉-拉格朗日分析

**作者贡献声明**
田鹏程：撰写——初稿、方法论、研究工作；
孟向志：监督、项目管理；
高鹏：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思；
唐志东：资源支持；
邢晓天：监督、资源协调；
韩悦欣：形式分析。

**利益冲突声明**
作者未报告任何潜在的利益冲突。
本手稿提交过程中不存在利益冲突，所有作者均同意其发表。我代表合作者声明，本文所述工作为原创研究，未在其他地方以全部或部分形式发表。所有列出的作者均已批准本文的发表。

**致谢**
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52130406）的财务支持，同时感谢国家重点研发计划（项目编号2021YFC2902403）和国家自然科学基金（项目编号U23A20603、52274253）以及中央高校基本科研业务费（N2424021）的支持。