第35卷算10期鼻束電力Vol 35 No 102007年10月Fast china Electric Poweroct.2007彎管內(nèi)水煤漿流動阻力的數(shù)值實驗研究趙國華,陳良勇,段鈺鋒(東南大學潔凈煤發(fā)電及燃燒技術教育部重點實驗室江蘇南京21006)摘要;結合管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計法對神華煤水煤漿進行了流變特性測量得出符合屈服一冪律流體模型的水煤漿流變方程。利用CFD軟件平臺建立了水煤漿∞η°彎管的流動模型,通過計算值與實驗值的比較驗證了計算模型的正確性。運用正確的計算模型對水煤漿流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)進行了多變量數(shù)值模擬實驗,得出了彎管工程設計中最佳彎徑比與流速的關系,總結出適合工程應用的水煤漿流經(jīng)較小彎徑比時的局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。且彎管內(nèi)最大速度點隨彎徑比的增大往彎管外側(cè)移動;隨彎徑比或彎曲角度的增大彎管內(nèi)的速度場趨于一致。關鍵詞:水煤漿;彎管流動;數(shù)值試驗;阻力損失系數(shù)基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2004cB217701)作者簡介:趙國華(1983-),男,碩土研究生研究方向為潔凈煤發(fā)電及燃燒技術。中圖分類號:TQ53文獻標識碼;A文章編號:1001-9529(2007)10004Numerical experimentation on flow resistance of coal-water slurry in curved pipesZHAO Guo-hua, CHEN Liang-feng, DUAN Yu-fengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of EducationSoutheast Univ., Nanjing 210096, ChinaAbstract: Based on the pipe flow method and the rotational viscometer method, the rheological behavior of Shenhuacoal-water slurry was measured and the rheological equation in conformity with the model of Herschel-Bulkley waser slurry now in a curved 90oby using CFD software platformand the computational model was proved correct through comparison between caleulated values and experimental vaues. With the correct computational model, numerical experiments on local resistance coefficient waB conducted,pro-ding the interrelations between the best bend diameter ratio and flow velocity in engineering design as well as theempirical equation of local resistance coefficient for practical engineering. It is also concluded that with increasing ofthe bend diameter ratio the dot of maximum velocity is near to the wall outside of a pipe bend, and the distribution ofthe velocity feld in the pipe tends to become the same with increasing of the bend diameter ratio or the bend angleKey words: coal-water slurry; pipe bend flow; numerical experimentation; frictional-loss coefficient水煤漿管道輸送是發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤出非牛頓流體流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)公式。對氣化技術的基礎性研究并應用于新型高效的潔具有非牛頓流體性質(zhì)的水煤漿運用數(shù)值試驗的方凈煤發(fā)電技術ICC中。彎曲管道是水煤漿管道法就流經(jīng)小彎徑比的彎管局部阻力系數(shù)進行研究輸送過程中常見的部件。當流體流過彎管時,由尚未見報道。于向心力及壁面壓力梯度的作用,使得流體的運水煤漿是一種非牛頓流體,流經(jīng)彎管時的局動狀態(tài)變得極為復雜2),不僅在同一橫截面上部阻力系數(shù)與牛頓流體不同,研究中發(fā)現(xiàn)影響水存在二次流動而且在彎頭的進出口還存在流體煤漿流經(jīng)彎管的阻力系數(shù)的因素很多包含水煤脫離壁面的現(xiàn)象。 Hwang and Pal1、 Deshpande漿的流變模型彎管的幾何形狀和漿體的流速等。and barigou4對非牛頓流體的突擴突縮管件進行結合數(shù)值模擬實驗的方法對水煤漿流經(jīng)彎管進行了實驗研究, Jure Marr(運用二次方程流變模型數(shù)值試驗對局部阻力系數(shù)進行研究可以減少實對剪切變稠的高濃度灰水混合物流經(jīng)9°彎管進驗周期、工作量和實驗耗資。行過數(shù)值模擬, Sing and Mishra6在大彎徑比下提本文從實驗出發(fā),總結出關于彎徑比和雷諾趙國華等彎管內(nèi)水煤菜流動阻力的數(shù)值實驗研究7(總904)數(shù)的經(jīng)驗公式為工業(yè)設計和設備選型提供依據(jù)。-P+2B(4)1試驗研究(5)1.1水煤漿流變方程的確定-P+2B水煤漿的流變模型很多,影響因素也很復雜對水煤漿在管道內(nèi)的恒定剪切流動通過管流法Tr =Tr =B(-2測量其壓降和流量,可推算剪切應力與應變速度的關系,從而確定流變方程。管流法一般可測量BC中、高剪切速率下的水煤漿流變方程;旋轉(zhuǎn)粘度計B C法測量低剪切速率下的水煤漿流變方程。在25℃恒溫下,對質(zhì)量濃度為57.08%的神華水煤漿運用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計法相結合的方法,測B=[出水煤漿在較大范圍內(nèi)的剪切應力與剪切速率的關系,運用屈服一冪律模型得出水煤漿的真實流A=[2()2+2()2+2(弘+)2+變方程為:r=845+(0.068·y)(10)1.2實驗彎管式中T坐標系3個方向上的法向應力;Tn試驗彎管管徑為50mm,R/R分別取3、8、Tnnr—坐標系3個方向上的切向應力10.0為彎管部分對應的圓心角,R為彎管半3網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算條件徑與管道半徑的比值(彎徑比),是衡量局部管件阻力損失系數(shù)的一個重要參數(shù)。試驗分別測試了計算中網(wǎng)格采用四面體和六面體非結構網(wǎng)不同工況下水煤漿流經(jīng)彎管時上、下游的壓差格,節(jié)點距離在2~4mm之間。人口邊界條件:水煤漿的密度為11982計算模型kg/m3,采用平均速度進口條件。由于水煤漿在2.1控制方程彎管中平均流速比較小,表觀粘度較大,Re<水煤漿在管內(nèi)的流動是一個等溫過程,不考2200,流動可認為是層流流動。差分格式采用一慮溫度變化,直角坐標系中定常條件、不可壓縮流階迎風格式,算法采用 SIMPLE算法收斂誤差控體演流動通用形式方程為制在0.1%。(pd)+dv(pU)= div(grade)+S(1)4數(shù)值計算結果與試驗比較式中φ為自變量,p為流體的密度,U為速度矢量,F為水煤漿是不透明、粘稠的非牛頓流體,在試驗擴散系數(shù),S為源項量廠與S、中值有關。當中=1時,通測量中只能對宏觀參數(shù)進行測量(例如彎管上下用微分方程變?yōu)橘|(zhì)量守恒方程;當φ=L2、B,時分別為坐標系3個方向上的動量方程。“為坐標系3個游的壓差)。受測量水平的限制對速度場和表方向上的速度。觀粘度場難以測量。在相同試驗段計算出試驗管2.2非牛頓流體運動方程件彎管上下游的壓差,并與實測值進行對比。描述非牛頓流體的流變方程,應力與剪切速圖1、圖2和圖3是不同彎徑比下計算的彎率和流體速度的關系表達式為管上、下游壓差與實測值的對比?？梢钥闯鲇嬎闶街衴剪切速率;剪切應加命(2)值與實驗值的結果比較接近,相對誤差小于r=古+(·y)30%,說明運用非牛頓流體模型建立的數(shù)學模型服剪切應力;mψ、c—常系數(shù)。進行計算是可行的?；诖四Ｐ瓦M行數(shù)值試驗探討局部損失系數(shù)與流速、彎管幾何形狀等的關=-p+2B(3)系為工程應用提供可以借鑒參考的設計參數(shù)。8(總905)束電力2007,35(10)R/D=1.5一試驗值f=2-P18一-計算值式中p一人口端的壓力,Pa;P2出口端的壓力Paip水煤漿的密度,kg/m3;流速。5.2雷諾數(shù)在非牛頓流體流動中,雷諾數(shù)的定義很多,根據(jù)水煤漿的性質(zhì)運用基于壁面表觀粘度的雷諾數(shù)速度/mg比較合適,定義為圖1彎徑比為15時試驗測量壓差與計算值比較式中p—水煤漿的密度,kg/m3;a——流速,m/s;R/D=1.5試驗值d—管徑,m;—表觀粘度,Pa·ss→計算值5.3數(shù)值實驗工況影響水煤漿流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)的因素很多,例如彎管的幾何形狀、水煤漿的流變特性和漿體的流速等。本文主要考慮彎管的幾何形狀和漿體的流速對彎管的阻力系數(shù)的影響。對管徑為50mm的彎管,彎徑比按照工程上常見的標準取速度/mst彎徑比為1.2、1.6、23、4、6、8、10、12時,進囗流圖2彎徑比為4時試驗測量壓差與計算值比較速分別為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.752m/s進行模擬計算,研究局部阻力系數(shù)與彎徑比、試驗值流速的關系0-計算值5.4數(shù)值實驗結果與分析54.1局部阻力系數(shù)根據(jù) Mishra- Gupta對大彎徑比下總結出的非牛頓流體流經(jīng)彎管與牛頓流體流經(jīng)彎管局部阻力系數(shù)的關系,運用此方法對小彎徑比下水煤漿流經(jīng)90彎管的局部阻力系數(shù)進行研究,其關系如速度sg圖4。由圖4可見,雷諾數(shù)越大,水煤漿的局部阻力系數(shù)越偏離牛頓流體的局部阻力系數(shù),且隨著圖3彎徑比為6時試驗測量壓差與計算值比較彎徑比的增大,變化明顯。5彎管內(nèi)水煤漿流動的數(shù)值實驗研究5.1局部阻力系數(shù)對非牛頓流體流經(jīng)彎徑比不同的彎管局部阻力系數(shù)研究, Mishra-Gupta對彎徑比大于12的管道進行了研究,提出了經(jīng)驗公式:f=1+0.033( logUe)(11)式中f——流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù);f=16/Re;De=工程上,局部損失系數(shù)與流速的關系通常通圖4各彎徑比下的局部阻力系數(shù)過局部損失系數(shù)與雷諾數(shù)的關系表現(xiàn)出來。局部從以上實驗數(shù)據(jù)總結出水煤漿流經(jīng)小彎徑比損失系數(shù)定義為:時,局部損失系數(shù)與彎徑比及雷諾數(shù)的關系如下。趙國華,等彎營內(nèi)水煤漿流動阻力的數(shù)值實臉研究9(總906)18=-1.18+6.84P+(0.53-0.07P)(lgDe)(B41P6式中f—流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)=16/Re;De=Re√D2P;P=2R!/R。5.42最佳彎徑比最佳彎徑比是相同流速下水煤漿流經(jīng)彎管產(chǎn)生的局部阻力系數(shù)最小時的彎徑比。對彎徑比從12~12各個流速下進行數(shù)值實驗,得出各個流速下產(chǎn)生最小局部阻力系數(shù)的彎徑比。最佳彎徑圖6=45°截面速度分布比出現(xiàn)在彎徑比1.2~2.4之間,在彎徑比1.8附近比較集中,實際工程90°彎管設計時彎徑比取18左右較為合適。最佳彎徑比隨水煤漿流速的增加而增加,基本成線性變化。5.4.3速度分布沿著管軸線方向,在彎曲不同部位截取面圖5、圖6和圖7分別是=30°45°60°面無量綱速度隨管半徑的變化分布圖。由于離心力的作用,最大的速度不像流體流經(jīng)直管一樣出現(xiàn)在管徑的中心處。彎徑比為1.2和2時,彎曲管道中,內(nèi)側(cè)圖7=60°截面速度分布的速度高外側(cè)速度低,最大速度出現(xiàn)在靠近彎管生的局部阻力系數(shù)進行研究,總結出適合工程應內(nèi)側(cè)。隨著水煤漿流經(jīng)管道截面(6分別為30°、用的經(jīng)驗公式。(3)對彎管截面的速度場分析,45°、60°時),最大速度的偏離更加明顯速度場由速度場隨截面夾角θ的增大趨于集中最大速度點分散逐漸趨于集中化,最后幾乎重合。隨著彎徑隨彎徑比的增加往彎管外側(cè)移動最終趨于相同。比的增大,最大速度往彎曲管道外側(cè)偏移在靠近參考文獻:彎曲管道外側(cè)處產(chǎn)生很大的速度梯度,彎曲管徑外側(cè)的剪切速率比預期的大,而內(nèi)側(cè)比預期的小。[1] Chisholm D. Brief communications of two-phase iow in bends[J]. Multiphase Flow,1980,6(2):363367R/R[2] Churchil S W.all no[冂]Chem. Engng Japan, 1977(84): 91-92.-6[3] HwangC Y J, Pal R. Flow of two-phase oil/wster mixturesEg,Japn,1997(68):57-63[4]ls N S, Bargou M. Foam flow phenomena in suddenexpansions and contractions[ J]. Multiphase Flow, 2001[5] Jure Marn, Primoz Temik Laminar flow of shear-hickeningfluid im a 90 pipe bend[ n]. Fluid Dynamics Researh, 2006圖58=30°截面速度分布[6] Singh R P, Mishra P, Friction factor for Newtonian and non6結論Newtonian fuid flow in curved pipes[ J].Chem Eng.,Japan,80(13):275-280.(1)運用計算模型比較好地模擬出了水煤漿[7]岑可法,姚強曹欣玉,等煤漿燃燒流動、傳熱和氣化流經(jīng)彎管的流動狀況。(2)通過數(shù)值實驗得出最的理論與應用技術[M]杭州浙江大學出版社,1997佳彎徑比與速度的關系,實際工程90°彎管設計收稿日期:2000747時彎徑比取1.8比較合適;對水煤漿流經(jīng)彎管產(chǎn)本文編輯:王延婷