基于极高密度气固两相TCP流稳定螺旋涡的高效螺旋输送机理研究

The granular materials can form TCP-SHV with the air in Ultra High Dense gas-solid Two Phase Flow in closed concentric circular cylindrical space under the action of high-speed rotating screw. It can improve transporting efficiency of screw conveyor, which broke traditional conveying thoery mainly relies on friction forces to transport granular materials. Vortex conveying theory proposed in this project is efficient screw conveying theory, which mainly analyse the interactions among screw, gas phase, solid phase(bulk solid) and build kinetic model of them. It study flow field features and stability condition of TCP-SHV in gas-solid two phase flow. And it also study and realize engineering approach of this flow field parameters. This project obtains mathematical model and formation condition of this TCP-SHV by means of a combination method Of EMMS-E/L and revises it according to actual parameter. Finally it build new efficient theorial design method bymeans of experimental verification. This project is a new subject of gas-solid two-phase flow, which has a certain originality in theory, belongs to one of 100 scientific challenges listed in Nature and Science in 2005. And it has a certain innovation in application, which is beneficial to study and development of efficient screw conveyor, and has great economical, social and defense significance, and its application prospect is very broad.

高速旋转螺旋作用下的散体与其中的空气在封闭同心圆环柱空间内可形成极高密度气固两相TCP流稳定螺旋涡（SHV），突破了螺旋输送机主要依靠摩擦力输送散体的传统机理，极大提高了螺旋输送机的输送效率。本项目提出的涡旋输送机理是高效输送机理，主要分析螺旋、气相、固相（散体）相互作用关系并建立其动力学模型，研究螺旋作用下同心圆环柱空间内气固两相TCP-SHV流场特性及稳定性条件，研究并基本实现该TCP-SHV流场参数的工程化。通过采用EMMS-E/L组合法，获取该TCP-SHV的数学模型及形成条件，并根据实际参数进行修正，再经实验验证，建立新型高效螺旋输送机理论设计方法。本项目是气固两相流研究中的崭新课题，理论上具原创性，属于Nature和Science 2005年列出的100个科学难题之一，科学意义和价值显著，应用上具创新性，利于高效螺旋输送机研发，经济、社会和国防意义很大，应用前景广阔。

我国对高速垂直螺旋输送机机理的研究很少，而一直沿用的传统螺旋输送机理也只阐明螺旋叶片对散料颗粒的某些力（重力、离心力等形成的摩擦力）的作用，并没有提到高速旋转螺旋作用下的散料颗粒在封闭圆环柱空间内可形成气固两相流的问题，以及其流场性质对散料颗粒输送的促进作用。. 项目通过气相流分析、物料特性分析，研究螺旋、气相、固相的相互作用力关系及其动力学模型，将其与气固两相DEM模型和离散元软件、计算流体力学相结合，形成基于多尺度结构的气固两相DEM模型及其耦合仿真方法，并采用上述模型及EDEM+FLUENT耦合的方法，对垂直螺旋输送机及其喂料头、磁流变制动器流场、落煤吸尘系统、转运站等气固两相系统的气固两相流进行了研究。项目推导了基于螺旋升角和旋流强度方法的临界螺旋转速公式，以及基于临界雷诺数方法的临界螺旋转速公式，提出了基于Re-E/L的气固两相螺旋流的流动判别方法。项目通过分析垂直螺旋输送机及其喂料头中气固两相螺旋流的流动特性，推导出了输送量函数、功率函数、喂料头的输送量函数，得到一种高效的基于气固两相螺旋流的垂直螺旋输送机的设计方法，并通过实际工程的垂直螺旋输送机的模型，进行了手册的颗粒群法、实际工程设计参数、本项目设计方法的对比，结果证明本项目设计方法能提高输送量、减少能耗。项目通过对同时处于气固两相螺旋流场、离心力场和重力场三种场的颗粒进行分析，并把该输送机理在垂直螺旋输送机中进行了实现、分析和验证，通过分析临界螺旋转速前后的输送量和功率变化，验证了气固两相螺旋流输送机理的正确性。. 项目通过理论分析、模型建立、仿真分析和试验验证的方法，研究基于气固两相螺旋流的垂直螺旋输送机理及其设计理论和方法，本研究成果有助于大大提升我国螺旋输送机乃至螺旋卸船机向世界先进水平迈进的速度，同时，本文提出的基于气固两相螺旋流的螺旋输送机理是气固两相流研究中面临的一个崭新课题，具有很大的科学意义和理论价值。