鍋爐制造No, 32007年7月BOILER MANUFACTURINGJul.2007文章編號(hào):CN23-1249(2007)04-0028-05高濃度水煤漿直管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬趙國(guó)華,陳良勇,段鈺鋒(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210096)摘要:通過(guò)管流法試驗(yàn)得出質(zhì)量濃度為65.3%的兗州煤水煤漿為剪切增稠的冪流體。將試驗(yàn)得出的流變模型和參數(shù)作為計(jì)算的依據(jù)運(yùn)用FENT軟件提供的非牛頓流體模塊對(duì)水煤漿在直管中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算得出水煤漿在管道中流動(dòng)產(chǎn)生滑移的臨界速度并得到臨界速度與管徑的變化關(guān)系。提出滑移速度新的定義方法計(jì)算得出三個(gè)管徑中不同平均流速下的滑移速度均為0.02m/s,表明水煤漿的滑移速度與平均流速和管徑呈弱相關(guān)。通過(guò)對(duì)滑移速度進(jìn)行修正得出滑移修正后的單位長(zhǎng)度壓差與實(shí)測(cè)值相吻合,表明計(jì)算模型是正確的。計(jì)算得到管道截面水煤漿的表觀粘度變化曲線,從管壁到管道中心先緩慢減少再急劇降低。關(guān)鍵詞:水煤漿;數(shù)值模擬;臨界速度;滑移速度;表觀粘度中圖分類號(hào):TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ANumerical Simulations of High Concentrated CoalWater Slurry Flows in Straight PipelinesZhao Guohua, Chen Liangyong, Duan YufengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the ministryof Education, Southeast University, Nanjing 210096, ChinaAbstract: By the experimental method of pipe flow on theological features, the mass concentration of coalwater slurry of 65.3% is non-Newtonian shear thickening power fluid Based on the tested model ofrheology, the coal -water-slurry was simulated numerically on its straight pipe flows by use of theFLUNT program with some modifications. The predicted pressure drop per unit length was compared withthe experiments as a result that a critical velocity at which the wall slip begins was obtained and that therelationship between the critical velocity and the pipe diameter was correlated. a new definition of thelip velocity was proposed and its values were calculated being always 0.02 m/s for different flow ratesand different diameters, which verifies that the slip velocity is independent to its pipe mean velocity andthe pipe diameter. Subsequently, a modified slip velocity was introduced into the simulation process andan agreement result between the theoretical pressure drop and experimental one was overlapped. The sim-ulation results alsothat the superficial viscosity of coal water slurry increases sharply with in-crease of radius from the pipe center and gradually to the region of the wall areaKey words: coal water slurries; numerical simulation; critical velocity; slip velocity superficial ve-locity收稿日期:2007-05-16基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2004CB2701)。作者簡(jiǎn)介:趙國(guó)華(1983-),勇,碩士,研究方向?yàn)闈崈裘杭夹g(shù)第4期趙國(guó)華,等:高濃度水煤漿直管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬290引言論分析,得出了不同管徑中水煤漿流動(dòng)產(chǎn)生滑移的臨界速度;提出了滑移速度新的定義方法得出水煤漿便于管道輸送、成本低、占地少、安全了三個(gè)管徑中水煤漿流動(dòng)的滑移速度,并通過(guò)滑可靠,廣泛應(yīng)用于電力冶金建材等行業(yè),是一種移速度修正,使計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。通過(guò)新型低污染的煤代油燃料。近年來(lái)水煤漿也應(yīng)用計(jì)算得出管道截面水煤漿的表觀粘度在半徑方于高效整體煤氣化燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)(IGCC)向上的變化規(guī)律。高效和大型化發(fā)展,對(duì)水煤漿管道輸送的基礎(chǔ)性1水煤漿管道流動(dòng)的控制方程發(fā)電技術(shù)中2。為使高濃度水煤漿管道輸送向研究日益重要和迫切。隨著液固兩相流計(jì)算理論控制流體流動(dòng)規(guī)律的微分方程組可表示為變和方法以及計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,水煤漿流動(dòng)過(guò)程量的通用形式的數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為試驗(yàn)研究的重要補(bǔ)充,在實(shí)驗(yàn)和理論研究中的作用日益凸現(xiàn)數(shù)值模擬a(pp)+do(pub)=di( Grad)+s(1)可以和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方法相提并論,相互補(bǔ)式中φ為自變量,p為流體的密度,U為速度充。數(shù)值模擬一方面可以克服實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)的矢量r為擴(kuò)散系數(shù)S為源項(xiàng)量r和S與中值缺點(diǎn)另一方面可以減少實(shí)驗(yàn)耗資。數(shù)值模擬可有關(guān)。通用形式的微分方程主要由四項(xiàng)組成:非使難于進(jìn)行流動(dòng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)測(cè)量的水煤漿實(shí)現(xiàn)可穩(wěn)定項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。視化。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合已經(jīng)成為研究當(dāng)φ=1時(shí),通用微分方程變?yōu)橘|(zhì)量守恒方復(fù)雜兩項(xiàng)流問(wèn)題的主要手段。目前運(yùn)用 FLUENT程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為:軟件對(duì)高濃度水煤漿在管道中輸送的數(shù)值模擬的研究還鮮有報(bào)導(dǎo)。本文將管流法試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果作為輸人參數(shù),對(duì)高濃度水煤漿管道輸送過(guò)程運(yùn)用(2)FLUENT軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,把模擬結(jié)果和試當(dāng)中=W,W,職時(shí),通用微分方程變?yōu)閯?dòng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,從滑移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行理量控制方程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為g(3)p\ ar畫,·aw Ww,+2(-1+如+1如n+電+)Waw. w dW aWa8+1/·+1·+)動(dòng)量控制方程中出現(xiàn)二階雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)項(xiàng),中各應(yīng)力分量的表送式如下:水煤漿的流變特性非常復(fù)雜,低濃度下的水煤漿T= 2B基本成牛頓流體性質(zhì),但是達(dá)到一定濃度的水煤漿又表現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì)。對(duì)于和時(shí)間無(wú)關(guān)的2B+非牛頓型流體的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,在中等剪切速率下,水煤漿的流變特性符合非牛頓流體中的冪定T = 2B律流體模型,其剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系為:式中T為剪切應(yīng)力,Pa;k為稠度系數(shù),Pas;y為剪切速率,1/s;n為流動(dòng)性系數(shù)。(在水煤漿流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算中,圓柱坐標(biāo)(x)+2(12+)+2(2)鍋爐制造總第205期B= kA-1(14) Herschel- Bulkley模型(通過(guò)變形可以得到冪流以上控制方程組理論上構(gòu)成封閉條件可解,體模型)。差分格式采用一階迎風(fēng)格式,算法采但是由于方程組的復(fù)雜性,通常用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)用SMPE算法,收斂誤差控制在0.1%。值求解。方程(2)至方程(14)即本文水煤漿管道流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解的基本方程組。4計(jì)算結(jié)果與分析2水煤漿的實(shí)測(cè)流變特性4.1壓差分析水煤漿管道流動(dòng)中輸送阻力最直接的表現(xiàn)是本文通過(guò)管流法運(yùn)用冪定律流體模型對(duì)濃度單位長(zhǎng)度上的壓差。圖2至圖4是水煤漿在三個(gè)為65.3%的神化煤水煤漿分別在管徑為25管徑中不同流量下單位長(zhǎng)度壓差的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算mm、32mm和40mm的管道中進(jìn)行了流變特性值的比較。實(shí)驗(yàn)值顯示單位長(zhǎng)度壓差隨流量的增測(cè)量,所得結(jié)果示于圖1,實(shí)測(cè)得到的水煤漿流變加而增加,基本成線性變化;隨著管徑的增加,同方程如下:流量下的單位長(zhǎng)度壓差減小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值管徑d=25mm,Tr=0.43197y0請(qǐng)與計(jì)算值比較,流量較小時(shí)不同管徑單位長(zhǎng)度上管徑d=32mm,r=0.46013yy0的壓差,兩者非常接近;流量較大時(shí)計(jì)算值大于測(cè)管徑d=40mm,ry=0.53242y0B量值相同單位長(zhǎng)度壓差下對(duì)應(yīng)的流量計(jì)算值小r,為壁面剪切應(yīng)力,y為壁面剪切速度。于實(shí)驗(yàn)值。H25mm230滑移修正后的計(jì)算值1500000000000010.00020.0003000040.00050.0006流量gh圖2管徑25mm單位長(zhǎng)度壓差圖1剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系250003水煤漿的管道流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)值白2000計(jì)算值由于水翠的表觀粘度較大賣驗(yàn)中管內(nèi)的;m的x平均流速比較小,廣義雷諾數(shù)小于20,水煤漿管道流動(dòng)可認(rèn)為是層流流動(dòng)。本文對(duì)65.3%的100水媒漿運(yùn)用 FLUENT軟件里提供的非牛頓流體50模型進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算的基本假設(shè)為:0600000.00025000050000075000100(1)水煤漿是不可壓縮的流體流量gm3,s1(2)流動(dòng)過(guò)程為定常的層流流動(dòng),且流線平行于管軸線;圖3管徑32mm單位長(zhǎng)度壓姜(3)流場(chǎng)中某一點(diǎn)的剪切速率只與該點(diǎn)剪切圖2至圖4顯示的三個(gè)管徑中,當(dāng)水煤漿的應(yīng)力有關(guān)。流速超過(guò)某個(gè)值時(shí),單位長(zhǎng)度壓差計(jì)算值開始大網(wǎng)格采用四面體和六面體網(wǎng)格。入口邊界條于實(shí)驗(yàn)值,這一現(xiàn)象是由于水煤漿在管道中流動(dòng)件為:水煤漿的密度127823kg/m3,采用平均速時(shí)出現(xiàn)了滑移和減阻現(xiàn)象,導(dǎo)致理論計(jì)算的單位度進(jìn)口條件。模型采用非牛頓流體模型中的長(zhǎng)度壓差大于實(shí)際流動(dòng)時(shí)的壓差,因?yàn)槔碚撚?jì)算4期趙國(guó)華,等:高濃度水煤漿直管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬31中沒(méi)有考慮滑移的存在和影響。管內(nèi)滑移流動(dòng)產(chǎn)流體的大分子濃度降低,因此粘度也低。牛頓流生的實(shí)質(zhì)是由于固體顆粒向管中心主流區(qū)域遷移體在固體壁面流動(dòng)時(shí),壁面上的流體貼附于壁面所致在管內(nèi)壁面處形成了一層顆粒濃度很低、粘上而不會(huì)滑移但是非牛頓流體在一定條件下在度顯著下降而剪切應(yīng)變速率很大的薄層即滑移壁面處產(chǎn)生滑移層。水煤漿在實(shí)際流動(dòng)中產(chǎn)生的壁面滑移減阻現(xiàn)水煤漿在管道中流動(dòng)由于滑移產(chǎn)生減阻現(xiàn)象在本文計(jì)算中得到了驗(yàn)證。象,其實(shí)質(zhì)是由于煤粉顆粒向中心主流區(qū)域遷移,致使管內(nèi)壁面處形成一層煤粉濃度很低,粘度顯實(shí)驗(yàn)值著下降而剪切速率很大的薄層(稱為滑移滑移修正后的計(jì)算值層)9:?；茖訉?duì)整個(gè)管道流動(dòng)的影響通常用滑移速度來(lái)表示,認(rèn)為壁面處水煤漿有一個(gè)滑移速度。對(duì)三個(gè)管徑中得到的單位長(zhǎng)度壓差計(jì)算值4000△P大于實(shí)驗(yàn)值A(chǔ)P的各個(gè)點(diǎn)根據(jù)單位長(zhǎng)度壓差的計(jì)算值A(chǔ)P得出計(jì)算平均流速u,由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的流量Q求出實(shí)際平均流速u。。定義滑移速00250005900075000度a,為計(jì)算的平均流速2與實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均流速n之差,即u=u“L灬°圖4管徑40mm單位長(zhǎng)度壓差圖6顯示三個(gè)管徑中各個(gè)平均流速下對(duì)應(yīng)的滑移速度。各個(gè)管徑中的滑移速度絕大多數(shù)處于0.02m/s左右。說(shuō)明水煤漿在管道中流動(dòng)時(shí),平060均流速超過(guò)臨界速度產(chǎn)生滑移,滑移速度基本不0.5變。通過(guò)滑移速度對(duì)入口邊界條件進(jìn)行修正,計(jì)算結(jié)果仍然顯示于圖2至圖4中?？梢?jiàn),通過(guò)滑移速度修正,單位長(zhǎng)度壓差減小,使計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)045值吻合良好。0.0240.0270.0300033003600390.042管徑Dm0.15圖5臨界速度與管徑的關(guān)系4.2臨界速度霍國(guó)勝等認(rèn)為液體在流動(dòng)過(guò)程中要考慮滑移的依據(jù)是流動(dòng)速度是否超過(guò)臨界流速,若超合匙色釅△b過(guò)臨界流速,則出現(xiàn)滑移,出現(xiàn)滑移就能實(shí)現(xiàn)減002040.6081012阻通過(guò)對(duì)三個(gè)管徑下計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較得出平均流速um,sl臨界流速與管徑的關(guān)系如圖5。當(dāng)管道中的流速圖6滑移速度與平均流速的關(guān)系超過(guò)臨界流速時(shí),水煤漿在管道中產(chǎn)生滑移現(xiàn)象;4.5速度場(chǎng)當(dāng)管道中的流速低于臨界流速時(shí),水煤漿在管道速度場(chǎng)可反映水煤漿在管道中的流動(dòng)狀況。中不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。從圖5可以看出隨著管徑的圖7是三個(gè)管徑中水煤漿的無(wú)量綱速度分布橫增大,臨界速度減小,近似呈線性變化,即管徑越坐標(biāo)是無(wú)量綱半徑,為各點(diǎn)半徑與管道半徑的比大,越容易產(chǎn)生滑移。值,縱坐標(biāo)是無(wú)量綱速度,為不同半徑處的速度與4.3滑移速度管道平均速度的比值。理論上對(duì)于同一個(gè)濃度的Cohen和 Metzner認(rèn)為在非均勻應(yīng)力場(chǎng)中流水煤漿圖7中的三條線應(yīng)該完全重合,但是水煤動(dòng)誘發(fā)大分子離開邊壁向中心漂移,使緊貼壁面漿的流變特性與管徑有關(guān)系,不同的管徑中水煤32·鍋爐制造總第205期漿的流變方程不一樣,即式(1)中的n不同導(dǎo)致2)通過(guò)比較單位長(zhǎng)度壓差計(jì)算值與測(cè)量值,圖7中的三條曲線不完全重合。但由于流動(dòng)系數(shù)得到了不同管徑流動(dòng)中水煤漿的臨界流速;當(dāng)管n非常接近,圖7中的曲線重合度也非常好,表明道平均流速超過(guò)該臨界流速時(shí),水煤漿在管道中數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生滑移和減阻現(xiàn)象。隨管徑的增加,臨界速度減小,即管徑越大越容易產(chǎn)生滑移減阻現(xiàn)象?？?25mm-323)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出三個(gè)管徑下的水煤漿流動(dòng)滑移速度均在0.02m/s左右。當(dāng)水煤漿在直管中流動(dòng)的平均流速超過(guò)其臨界速度時(shí)即產(chǎn)生滑移,其滑移速度與平均流速和管徑呈弱相關(guān)4)水煤漿管內(nèi)流動(dòng)中,表觀粘度在管中心最低,隨半徑增大,表觀粘度先急劇增大,然后再緩慢增加,至壁面處到達(dá)最大。參考文獻(xiàn)圖7不同管徑中水煤漿的無(wú)量綱速度分布[1]趙光宇竇文英水煤漿的管道輸送工程[]中國(guó)4.6表觀粘度煤炭,203,29(8):12-13圖8是計(jì)算得到的三個(gè)管徑中相同平均流速2]rui,H.etal. Thermodynamic analysis of the gasific下管道橫截面上的表觀粘度分布。對(duì)于冪律流體tion of coal water slurry fuels for a circulating fluidized水煤漿的表觀粘度μ。=ky-1,由于n大于1,表bed gasifier [J] Journal of Power and Energy, 2002216(A5):343-353.觀粘度隨剪切速率的增大而增大。從圖中可以看[3] Burdukoy A.p, Konovalov V.v.,Porv.L,Fe出從管壁到管中心,壁面處表觀粘度最大,然后先dosenko V. D. Rheological properties and character稍許減少,再急劇減少,管中心處的表觀粘度最tics of hydraulic transportation and heat -mass ex-hange of coal-water fuels [J]. Journal of MiningScience,2002,3(38):22-228[4]孟令尊非牛頓流體在配注器波紋桿環(huán)空中流動(dòng)的數(shù)值模擬[J]大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2006,30(3):300.6433[5] Patanker, S. V Numerical Heat Transfer and FluidFlow [M]. New York: Mc-Graw-Hill, 1980,1025m0.52-32m[6]岑可法姚強(qiáng),曹欣玉等煤漿燃燒流動(dòng)、傳熱和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M]杭州:浙江大學(xué)出版社,040030020010000010.020031997,80-83[7]霍國(guó)勝液體沿固體壁面滑移減租分析機(jī)理[J]油氣儲(chǔ)運(yùn).1998,17(12):8-10圖8不同管徑中截面的表觀粘度分布[8] Cohen,Y, and Metzner A. B. Apparent alip flow of5結(jié)論polymer solutions [J].. 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