氣力輸送系統技術含量低？流體力學告訴你事情并不簡單

氣力輸送系統在很多人看來技術含量不高，機械組件簡單，儀器和控制裝置不復雜。但是實際上，氣力輸送的物理和數學計算是復雜且具有挑戰性的。各種不確定因素導致氣力輸送系統選擇，規格和操作上的不適當。

行業中的大多數氣力輸送系統都是稀相氣力輸送系統，其中氣體速度相對較高，而固體含量較低。有多種選擇可以使這些系統可靠地工作。大口徑的管道和輸送的氣體速度遠高于最小值，這是安全的選擇（但是效率低下）。出于經濟成本和節約能源的考慮，很多用戶希望能降低氣力輸送的成本，推動了氣力輸送技術的發展。通過以下方式使氣力輸送更加節能：

優化稀相氣力輸送系統或轉向濃相氣力輸送。然而，與使系統不穩定并易于阻塞的危險相比，優化稀相氣力輸送系統的提升空間不大。設計濃相氣力輸送系統能大大提升輸送效率，但是濃相氣力輸送系統允許的誤差幅度要小得多。因此，需要基于對輸送系統中的物理機制的基本理解來建立可靠的設計實驗。

要了解和描述各種長度尺度上的行為，就需要在實驗，測量技術，數學建模和數值模擬方面進行創新。方便地以宏觀，中觀和宏觀的層次來討論這些長度尺度。微觀級別指示在單個粒子級別發生的過程，例如粒子-粒子接觸力學。宏級別需要更多的系統或全局視圖，例如系統壓力下降。中觀水平介于兩者之間。

在微觀層面上，許多工業和學術研究工作都致力于通過離散元素方法（DEM）對粒子組件的行為進行建模。在這種方法中，每個粒子都被視為模型中的一個元素，并且粒子的運動可以通過牛頓力學來描述。現在可以使用通過阻力項耦合到計算流體力學（CFD）軟件的商業DEM代碼。使用CFD自適應網格劃分，Lattice Boltzmann模擬和平滑粒子流體動力學研究了微觀尺度的流體-粒子相互作用。在這些情況下，阻力和升力是從模擬本身而不是通過施加經驗系數得出的。這種規模的實驗工作包括諸如接觸力研究中的原子力顯微鏡技術以及粒子和氣體運動中的激光多普勒測速儀等技術。這里的挑戰是顆粒的數量，不規則的顆粒形狀和模型湍流。

向上移動長度尺度意味著犧牲細節并轉向統計方法來描述中尺度的粒子系統行為。一種流行的方法是將微粒組件視為偽流體或連續體。統計物理學和顆粒動力學理論的提出導致了氣力傳輸的模擬。顆粒動力學理論的版本已經在一些商業法規中實現。該模型需要連續的性質，可以通過臺式流變儀或通過微觀模擬獲得的數據來通過實驗建立。

最后，有一個宏觀的認識。通常，這是基于傳統單相流體力學的擴展，其中諸如碰撞或流體阻力導致的動量損失之類的細節被吸收到與D'Arcy處理類似的一些通用摩擦項中。這可以是整個系統術語，也可以分解為管道組件，可以在其中進行比較并為中尺度模擬提供反饋。但是，這些術語僅對一種特定材料有效，并且是在大型測試設備中通過實驗確定的。

如果目標是實現氣力輸送系統可靠的設計而不需要對每種新粉體物料都進行連續的全面氣力輸送試驗，那么顯然需要有一些模型，這些模型將熟悉的基準規模數據作為輸入并輸出性能數據。