气力输送是通过管道内的气流对固体粉粒物质进行传输的方法,在农业、矿业、化工、制药、涂料制造和冶金等行业有着广泛应用。按照输送实质,气力输送可以分为稀相气力输送和密相气力输送。研究稀相气力输送管道中颗粒的流动特性将有助于稀相气力输送系统的设计和优化。本文建立了三维CFD-DEM模型对稀相气力输送进行数值模拟研究。在CFD-DEM模型中,气相由CFD遵循Navier-Stokes方程进行求解,颗粒相由DEM根据牛顿第二定律求解,气固两相通过气固相互作用力计算得到的动量交换量实现耦合。较其它数值模拟方法而言,CFD-DEM方法考虑了颗粒的碰撞问题,能够获取颗粒运动和受力的详细信息,有助于提高对气力输送管道内颗粒运动特性的认识。但CFD-DEM方法在计算稳定性和效率上也存在不足,为此本文研究了提高数值计算稳定性和效率的方法：(1)在空隙率的计算上引入了基于颗粒部分体积的算法,通过提高空隙率计算精度,解决了计算不稳定的问题；(2)研究了刚度参数设置对稀相气力输送仿真结果的影响,通过减小刚度参数、设置较大时间步长,提高数值计算速度；(3)引入忽略空隙率对气相影响的简化CFD-DEM模型,减少了数值模拟计算量,提高了计算效率。通过与实验数据进行对比,本文首先验证了典型CFD-DEM模型可以实现对稀相气力输送的定量分析,并比较了不同曳力模型的仿真效果。将简化CFD-DEM模型预测的不同类型弯管气力输送系统的结果与典型模型预测的结果进行对比,验证了简化模型不仅可以定性预测弯管中形成的颗粒束,在水平-垂直90。弯管和垂直-水平90°弯管气力输送系统中得到的结果还与典型模型保持了定量一致。数值模拟结果显示,弯管的布置方向对形成的颗粒束及其分散过程影响显著,在水平-垂直90°弯管中形成的颗粒束最终在垂直管中分散为均匀流,垂直-水平90°弯管中的颗粒束在离开弯管后迅速向水平管底部沉积,而水平-水平90。弯管中则形成了紧贴壁面按螺旋线移动并分散的颗粒束。工况参数对颗粒束的特性也有显著影响。本文就气体速度、颗粒质量流量、弯径比和壁面摩擦系数对各类弯管中颗粒束特性的影响进行了细致研究,比较了颗粒束强度、分散快慢,弯管下游颗粒速度及管道中不同区域的颗粒碰撞信息。结果显示,气体速度对颗粒速度有明显影响,颗粒质量流量和弯径比对颗粒束强度和分散快慢影响显著,而管道壁面摩擦系数将降低颗粒速度、加快颗粒束分散。在不同类型弯管和不同工况条件下,弯管部分都是稀相气力输送管道中碰撞强度最大的区域,且颗粒-壁面间的碰撞是稀相气力输送中的主要碰撞形式。CFD-DEM方法获取的颗粒束分散快慢随弯径比的变化规律与实验结果相一致,说明即便在稀相气力输送中,碰撞对管道内颗粒的流动特性依然有重要影响。多球单元法使用若干个球形单元组合来描述非球形颗粒。在表达颗粒形状时,球形单元组合方案的选定十分重要,使用7球单元和4球单元来表达同一玉米状颗粒,得到的仿真结果有较大区别。但简化模型在稀相气力输送中的适用性并未受颗粒形状的影响。对球形颗粒、玉米状颗粒、板状颗粒和杆状颗粒在水平-垂直90。弯管内形成的颗粒束的特性进行比较,发现其颗粒束分散快慢和颗粒在弯管下游垂直管内的速度都有明显差异。多球单元法得到的板状颗粒的运动特性与多边形法预测的结果相一致。此外,板状颗粒在水平-水平90°弯管内依然能形成比球形颗粒更紧凑的颗粒束。倾斜提升管内的压降会随倾斜角度发生明显变化,倾斜角度的增大将使管道内的压降先增后减,倾斜提升管内颗粒的速度小于水平管和垂直管。在管路设计时,使用倾斜提升管不仅可以缩短输送距离、减小弯管角度,还能降低颗粒碰撞强度和系统压降。此外,急弯管的布置会形成复杂的颗粒束且更难分散,急弯管中的直管长度对其中形成的颗粒束的特性影响显著,在布置急弯管时应特别注意选取直管的长度,避免颗粒以过低速度进入二级弯管。