回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
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[ 12]
式中 , ! 为气流的涡度。
据此列出管内球形粒子的运动方程式
:
d v = 3 | u- v | C ( u - v) + 3 | u- v | C ( u - v) ∋ d L dt 4 pd 4 p| | d + 9 . 69 d p v ( u- v) ∋ ! + g | ! |
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
道横截面内的位置。 另外, 在回旋 流状态 下, 因为以 风速 10m/ s 进行输送时, 粒子的质量流量不可能增加 , 所以, 在实验中以 12 5m/ s 的风速进行输送。实际测 出的粒子质量流量和空气的质量流量组成的混合 比在 0 08~ 0 18 之间。
2
2. 1
数值计算
计算假设 在输送过程中 , 粒子和管道内壁的碰撞以及
李
奕 杨光友
张道德等
d 15 = ( dt 16
C1 C2 + ) Re p Re p
|
p
1 !2
| (
1 !2
)
向分量 v z 分别为 - 1 02m/ s 和 - 2 08m / s。 气流平均速度 U( 又称风速) 分别取10 0 m/ s、 12 5 m/ s 、 15 0 m/ s 、 17 5 m/ s 和 20 0 m / s。 另外, 在各个平均气流速度的情况下 , 回旋气流的圆周 方向速度分 量分别 为 1 00 m/ s 、 1 25 m/ s 、 1 50 m/ s 、 1 75 m/ s 和 2 00 m/ s 。 在实验的基础上 r c 取 0 02m 。 此外, 本研究中使用的回旋流发生器产生 的回 旋 流中 强 制 涡流 所 占 比重 较 大。 当 U = 10m/ s 时, 旋流数 S 达到最大值 0 03, 而在 U = 20m/ s 时 S 达到最小值 0 02。 长距离输送造成回 旋流的回旋成分衰减因素在本计算中未予考虑。
图3
实验原料照片 式中 , 量;
p
1. 3
实验方法 输送实验中 , 管道 内的平 均风 速设定 为 10
F t = 3 | u- v | C d ( u - v) 4 pd 为空 气密度 ; u 为气 流速 度向 量 ; v 为粒子 速度 向 为粒子密度 ; d 为粒子直径 ; Cd 为黏性系数。
m/ s 、 15m / s 和 20m / s, 各种不同 风速的情 况下, 将供 料 槽 出 口 处 直 径 分 别 调 节 为 11 5mm 、 12 0mm 和 12 5mm 。各种输送条件下输送的粒 子总量均为 2kg 。为了研究各输送状态下粒子的 破损情况 , 输送前后各取 50g 样本拍照 , 将样本照 片输入计算机 , 通过对随机选取的 100 颗粒子的 长度进行图像处理 , 测量出粒子的平均长度。此 外, 在距离粒子供给处上方 3 64m 处设置一台摄 像机 , 用以拍摄粒子的输送状态。该摄像机 1s 可 拍摄 400 帧图像。从中取出 0 1s 内拍摄的图像 并对图像进行分析处理从而求出粒子的速度。在 摄像机附近设置反射镜 , 通过直接拍摄管道内的 画面和拍摄反射镜反射的画面共同确定粒子在管 1414
式中 , t 为时间 ; g 为 重力 加速 度 ; Re p 为粒 子的 回转 雷 诺 数 , Re p = d 2 | ! / 2 | 4∀ ;∀ 为空气运动黏度 ; C 1 和 C2 采 用 Dennis 等[ 12] 提出的数 值。
本研究中的回旋分量非常弱, 轴向速度分量 近似按照指数规律分布:
uz / U max = [ ( R - r) / R] 1/ n n = 3 . 45 Re 0. 07 Re = 2RU / ∀ 式中 , R 为管道内半径 ; U 为气流平 均速度 ; Um ax 为轴线处 的气流轴向最大速度 ; n 为指数 ; Re 为气流雷诺数。
回旋流圆周方向速度 u # 如图 4 所示, 由强制 涡流和自由涡流叠加而成。 u # 表达式如下:
1. 空气压缩机 4. 输送管道 2. 气流发生器 5. 压力传感器 8. 柔性软管 3. 粒子送料道 6. 粒子回收器 9. 摄像机
7. 超声波流量计
图1
实验装置示意图
缩机输出的压缩空气 进入直线流或 回旋流发生 器, 产生直线流或回旋流后进入输送管道。空气 流量由减压阀调节并由设置在管道出口处的超声 波流量计测定。粒子从送料槽进入管道。输送管 道由丙烯酸材料制成, 内径 48m m, 全长 4m 。粒 子供给量由送料槽出口直径调节。粒子的质量流 量 G s 由设 置在回收 器下端 的压力 传感器 检测。 输送管道和回收器用柔软的软管连接 , 回收器内 1413
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
李
奕 杨光友
张道德等
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
李 奕 杨光友 张道德 张 铮
湖北工业大学, 武汉, 430068
摘要 : 通过药品颗粒垂直空气输送的实验 , 分析了回旋气流对药品颗粒破损的影响。 研究发现 , 在 较弱回旋流中, 粒子沿着管壁输送且低速下粒子的破损显著减少。 数值模拟显示, 在所有输送状态下, 回旋流中粒子和管壁的碰撞数比直线流的碰撞数大, 但是在低速输送状态下, 回旋流时粒子和管壁碰撞 所损失的动能比直线流时损失的动能小 。这说明回旋流会使粒子沿管壁流动并且将粒子的动能损失降 低到使粒子破损的程度以下。 关键词: 回旋流 ; 药品颗粒 ; 空气输送; 粒子破损 中图分类号 : O35; T B44; T K8 文章编号 : 1004 132X( 2009) 12 1413 05
粒子间的碰撞会对被输送粒子的破损造成重要的 影响。实验结果显示 , 相对于直线流, 回旋流可以 减少粒子的破损。为了进行数值计算, 粒子间的 碰撞采用田代创建的模型 。另Байду номын сангаас , 为了将计算
( a) 回旋流发生器 图2 ( b) 直线流发生器 气流发生器示意图
[ 6] [ 8]
简化 , 在数值分析之前, 我们作如下假定 : ! 将圆 柱形粒子等效为同体积的球形粒子 ; ∀ 粒子所受 到的外力有流体黏性力、 重力、 M ag nus 力和 Saf f m an 力; # 气流为等温、 不可压缩气流; ∃ 粒子间 发生碰撞时, 碰撞位置是随机的; % 粒子和管道内 壁的碰撞属于正常碰撞冲击; &粒子的初始位置 是随机的 , 并且具有一定的初始速度和角速度。 2. 2 粒子的运动方程式 在仿真计算中, 取垂直向上方向为 z 轴方向, 在水平面内根据右手定则确定 x 轴和 y 轴 , 从而 建立直角坐标系。 因为粒子在管道内运动过程中受到的外力主 要包括气流黏性力、 M ag nus 力、 Saff man 力和重 力, 其中气流黏性力、 M ag nus 力和 Saf f man 力计 算公式[ 9] 分别如下: 单位质量粒子所受气流黏性力为
Study on Damage Phenomenon of Pharmaceutical Granule in Swirling Pneumatic Conveyance L i Yi Yang Guangy ou Zhang Daode Zhang Zheng H ubei Univer sit y of T echnolog y, Wuhan, 430068 Abstract: T he eff ect s of sw irling f low upo n dam age phenom enon of pharmaceut ical gr anule w ere invest ig at ed by perf orm ing t he v ert ical pneumat ic conveyance of pharmaceut ical g ranule exper im ent al l y. It is found t hat g ranules are conveyed along the pipe wall in w eak sw irling f low and t he damage of granule can be reduced ev ident ly at low er air velocit y in t his st udy. Numerical simulat ions show t hat the number of im pact bet w een granule and pipe wall in t he sw irling flo w is larg er t han t hat in t he r ec t ilinear flo w in all st at es of t ranspo rt at ion, but at the time of im pact bet w een granule and pipe w al l, the kinet ic energy loss of g ranule is sm aller in t he sw irling f low t han in t he rect ilinear f low at low er air velocit y. It is inf erred that sw irling f low can makes t he granule mo ve along t he pipe w all and reduce the kinet ic energy loss of g ranule t o below the t hreshold of damage str engt h o f the g ranules. Key words: sw irl ing f low ; phar maceut ical granule; pneum atic conv ey ance; granule damage
0
[ 1]
引言
在制造 工业 中, 粉 粒体 的输 送方 式多 种多
样 , 管道空气输送具有输送路径相对自由、 密闭 管道内粉尘污染较少、 容易实现高度自动化等优 点, 因此, 在药品加工制造厂等工业企业中越来越 广泛地被作为原料的输送手段。但是 , 被输送颗 粒在管道内会因为粒子和管道内壁的碰撞以及粒 子间的碰撞而造成破损 , 这是管道空气输送方式 的显著缺点[ 2 3] 。在医药品的输送过程中, 会因为 粒子碰撞导致药品破损而影响药品药性 , 产生溶 出现象 [ 4] , 因此, 在设计输送装置时必须充分考虑 药品颗粒的破损问题。 本文以垂直输送管内的固气二相流为研究对 象, 利用回旋流进行垂直管道内固气二相流的实 验和数值仿真, 并将其与直线流进行比较, 对被输 送物的破损现象进行分析。
1. 2
实验原料 本实验中使用的实验原料如图 3 所示
3
。粒
子为圆柱体颗粒 , 密度为 640kg / m , 平均直径为 1 11mm, 平均长度为 6 81m m 。通过粒子强度测 定装置 测 出 粒 子 所 能 承 受 的 平 均 力 矩 为 509 N m 。这个强度在水平管道输送时会造成粒子 破损[ 7] 。
1
1. 1
实验装置及方法
实验装置 本实验所用的实验装置如图 1 所示。空气压
收稿日期 : 2008
06
16
基金项目 : 湖北省自然科学基金资助项目 ( 2007A BA 255)
中国机械工程第 20 卷第 12 期 2009 年 6 月下半月
部贴上树脂橡胶, 以防止粒子在垂直管道以外的 区域发生破损。 实验中使用的两种气流发生器如图 2 所示。 回旋流气流发生器的截面逐渐缩小, 进入发生器 的压缩 空气 从环 型截面 喷出。根据 Coanda 效 应, 气流在通过渐缩管道的过程中自动产生回旋 气流[ 5] 。
单位质量粒子所受 M agnus 力为
Fm ag = 式中 , 3 | u- v | C ( u- v) ∋ 4 p| | d L
为粒子角速度向量 ; CL 为 M agnus 力系数 , 采用文
献 [ 10 11] 提出的数值。
单位质量粒子所受 Saff man 力为
Fsaf f = 9. 69 d p v ( u- v) ∋ ! | ! |
式中 , ! 为气流的涡度。
据此列出管内球形粒子的运动方程式
:
d v = 3 | u- v | C ( u - v) + 3 | u- v | C ( u - v) ∋ d L dt 4 pd 4 p| | d + 9 . 69 d p v ( u- v) ∋ ! + g | ! |
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
道横截面内的位置。 另外, 在回旋 流状态 下, 因为以 风速 10m/ s 进行输送时, 粒子的质量流量不可能增加 , 所以, 在实验中以 12 5m/ s 的风速进行输送。实际测 出的粒子质量流量和空气的质量流量组成的混合 比在 0 08~ 0 18 之间。
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数值计算
计算假设 在输送过程中 , 粒子和管道内壁的碰撞以及
李
奕 杨光友
张道德等
d 15 = ( dt 16
C1 C2 + ) Re p Re p
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p
1 !2
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)
向分量 v z 分别为 - 1 02m/ s 和 - 2 08m / s。 气流平均速度 U( 又称风速) 分别取10 0 m/ s、 12 5 m/ s 、 15 0 m/ s 、 17 5 m/ s 和 20 0 m / s。 另外, 在各个平均气流速度的情况下 , 回旋气流的圆周 方向速度分 量分别 为 1 00 m/ s 、 1 25 m/ s 、 1 50 m/ s 、 1 75 m/ s 和 2 00 m/ s 。 在实验的基础上 r c 取 0 02m 。 此外, 本研究中使用的回旋流发生器产生 的回 旋 流中 强 制 涡流 所 占 比重 较 大。 当 U = 10m/ s 时, 旋流数 S 达到最大值 0 03, 而在 U = 20m/ s 时 S 达到最小值 0 02。 长距离输送造成回 旋流的回旋成分衰减因素在本计算中未予考虑。
图3
实验原料照片 式中 , 量;
p
1. 3
实验方法 输送实验中 , 管道 内的平 均风 速设定 为 10
F t = 3 | u- v | C d ( u - v) 4 pd 为空 气密度 ; u 为气 流速 度向 量 ; v 为粒子 速度 向 为粒子密度 ; d 为粒子直径 ; Cd 为黏性系数。
m/ s 、 15m / s 和 20m / s, 各种不同 风速的情 况下, 将供 料 槽 出 口 处 直 径 分 别 调 节 为 11 5mm 、 12 0mm 和 12 5mm 。各种输送条件下输送的粒 子总量均为 2kg 。为了研究各输送状态下粒子的 破损情况 , 输送前后各取 50g 样本拍照 , 将样本照 片输入计算机 , 通过对随机选取的 100 颗粒子的 长度进行图像处理 , 测量出粒子的平均长度。此 外, 在距离粒子供给处上方 3 64m 处设置一台摄 像机 , 用以拍摄粒子的输送状态。该摄像机 1s 可 拍摄 400 帧图像。从中取出 0 1s 内拍摄的图像 并对图像进行分析处理从而求出粒子的速度。在 摄像机附近设置反射镜 , 通过直接拍摄管道内的 画面和拍摄反射镜反射的画面共同确定粒子在管 1414
式中 , t 为时间 ; g 为 重力 加速 度 ; Re p 为粒 子的 回转 雷 诺 数 , Re p = d 2 | ! / 2 | 4∀ ;∀ 为空气运动黏度 ; C 1 和 C2 采 用 Dennis 等[ 12] 提出的数 值。
本研究中的回旋分量非常弱, 轴向速度分量 近似按照指数规律分布:
uz / U max = [ ( R - r) / R] 1/ n n = 3 . 45 Re 0. 07 Re = 2RU / ∀ 式中 , R 为管道内半径 ; U 为气流平 均速度 ; Um ax 为轴线处 的气流轴向最大速度 ; n 为指数 ; Re 为气流雷诺数。
回旋流圆周方向速度 u # 如图 4 所示, 由强制 涡流和自由涡流叠加而成。 u # 表达式如下:
1. 空气压缩机 4. 输送管道 2. 气流发生器 5. 压力传感器 8. 柔性软管 3. 粒子送料道 6. 粒子回收器 9. 摄像机
7. 超声波流量计
图1
实验装置示意图
缩机输出的压缩空气 进入直线流或 回旋流发生 器, 产生直线流或回旋流后进入输送管道。空气 流量由减压阀调节并由设置在管道出口处的超声 波流量计测定。粒子从送料槽进入管道。输送管 道由丙烯酸材料制成, 内径 48m m, 全长 4m 。粒 子供给量由送料槽出口直径调节。粒子的质量流 量 G s 由设 置在回收 器下端 的压力 传感器 检测。 输送管道和回收器用柔软的软管连接 , 回收器内 1413
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
李
奕 杨光友
张道德等
回旋流空气输送中药品颗粒破损现象的研究
李 奕 杨光友 张道德 张 铮
湖北工业大学, 武汉, 430068
摘要 : 通过药品颗粒垂直空气输送的实验 , 分析了回旋气流对药品颗粒破损的影响。 研究发现 , 在 较弱回旋流中, 粒子沿着管壁输送且低速下粒子的破损显著减少。 数值模拟显示, 在所有输送状态下, 回旋流中粒子和管壁的碰撞数比直线流的碰撞数大, 但是在低速输送状态下, 回旋流时粒子和管壁碰撞 所损失的动能比直线流时损失的动能小 。这说明回旋流会使粒子沿管壁流动并且将粒子的动能损失降 低到使粒子破损的程度以下。 关键词: 回旋流 ; 药品颗粒 ; 空气输送; 粒子破损 中图分类号 : O35; T B44; T K8 文章编号 : 1004 132X( 2009) 12 1413 05
粒子间的碰撞会对被输送粒子的破损造成重要的 影响。实验结果显示 , 相对于直线流, 回旋流可以 减少粒子的破损。为了进行数值计算, 粒子间的 碰撞采用田代创建的模型 。另Байду номын сангаас , 为了将计算
( a) 回旋流发生器 图2 ( b) 直线流发生器 气流发生器示意图
[ 6] [ 8]
简化 , 在数值分析之前, 我们作如下假定 : ! 将圆 柱形粒子等效为同体积的球形粒子 ; ∀ 粒子所受 到的外力有流体黏性力、 重力、 M ag nus 力和 Saf f m an 力; # 气流为等温、 不可压缩气流; ∃ 粒子间 发生碰撞时, 碰撞位置是随机的; % 粒子和管道内 壁的碰撞属于正常碰撞冲击; &粒子的初始位置 是随机的 , 并且具有一定的初始速度和角速度。 2. 2 粒子的运动方程式 在仿真计算中, 取垂直向上方向为 z 轴方向, 在水平面内根据右手定则确定 x 轴和 y 轴 , 从而 建立直角坐标系。 因为粒子在管道内运动过程中受到的外力主 要包括气流黏性力、 M ag nus 力、 Saff man 力和重 力, 其中气流黏性力、 M ag nus 力和 Saf f man 力计 算公式[ 9] 分别如下: 单位质量粒子所受气流黏性力为
Study on Damage Phenomenon of Pharmaceutical Granule in Swirling Pneumatic Conveyance L i Yi Yang Guangy ou Zhang Daode Zhang Zheng H ubei Univer sit y of T echnolog y, Wuhan, 430068 Abstract: T he eff ect s of sw irling f low upo n dam age phenom enon of pharmaceut ical gr anule w ere invest ig at ed by perf orm ing t he v ert ical pneumat ic conveyance of pharmaceut ical g ranule exper im ent al l y. It is found t hat g ranules are conveyed along the pipe wall in w eak sw irling f low and t he damage of granule can be reduced ev ident ly at low er air velocit y in t his st udy. Numerical simulat ions show t hat the number of im pact bet w een granule and pipe wall in t he sw irling flo w is larg er t han t hat in t he r ec t ilinear flo w in all st at es of t ranspo rt at ion, but at the time of im pact bet w een granule and pipe w al l, the kinet ic energy loss of g ranule is sm aller in t he sw irling f low t han in t he rect ilinear f low at low er air velocit y. It is inf erred that sw irling f low can makes t he granule mo ve along t he pipe w all and reduce the kinet ic energy loss of g ranule t o below the t hreshold of damage str engt h o f the g ranules. Key words: sw irl ing f low ; phar maceut ical granule; pneum atic conv ey ance; granule damage
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引言
在制造 工业 中, 粉 粒体 的输 送方 式多 种多
样 , 管道空气输送具有输送路径相对自由、 密闭 管道内粉尘污染较少、 容易实现高度自动化等优 点, 因此, 在药品加工制造厂等工业企业中越来越 广泛地被作为原料的输送手段。但是 , 被输送颗 粒在管道内会因为粒子和管道内壁的碰撞以及粒 子间的碰撞而造成破损 , 这是管道空气输送方式 的显著缺点[ 2 3] 。在医药品的输送过程中, 会因为 粒子碰撞导致药品破损而影响药品药性 , 产生溶 出现象 [ 4] , 因此, 在设计输送装置时必须充分考虑 药品颗粒的破损问题。 本文以垂直输送管内的固气二相流为研究对 象, 利用回旋流进行垂直管道内固气二相流的实 验和数值仿真, 并将其与直线流进行比较, 对被输 送物的破损现象进行分析。
1. 2
实验原料 本实验中使用的实验原料如图 3 所示
3
。粒
子为圆柱体颗粒 , 密度为 640kg / m , 平均直径为 1 11mm, 平均长度为 6 81m m 。通过粒子强度测 定装置 测 出 粒 子 所 能 承 受 的 平 均 力 矩 为 509 N m 。这个强度在水平管道输送时会造成粒子 破损[ 7] 。
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1. 1
实验装置及方法
实验装置 本实验所用的实验装置如图 1 所示。空气压
收稿日期 : 2008
06
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基金项目 : 湖北省自然科学基金资助项目 ( 2007A BA 255)
中国机械工程第 20 卷第 12 期 2009 年 6 月下半月
部贴上树脂橡胶, 以防止粒子在垂直管道以外的 区域发生破损。 实验中使用的两种气流发生器如图 2 所示。 回旋流气流发生器的截面逐渐缩小, 进入发生器 的压缩 空气 从环 型截面 喷出。根据 Coanda 效 应, 气流在通过渐缩管道的过程中自动产生回旋 气流[ 5] 。
单位质量粒子所受 M agnus 力为
Fm ag = 式中 , 3 | u- v | C ( u- v) ∋ 4 p| | d L
为粒子角速度向量 ; CL 为 M agnus 力系数 , 采用文
献 [ 10 11] 提出的数值。
单位质量粒子所受 Saff man 力为
Fsaf f = 9. 69 d p v ( u- v) ∋ ! | ! |