第39卷第3期2008年5月BOILER TECHNOLOGYMay.,2008文章編號:CN31-1508(2008)03-0001-04直管內(nèi)水煤漿流動阻力的數(shù)值實驗趙國華,陳良勇,劉猛,段鈺鋒(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇南京210096)關(guān)鍵詞:水煤漿;非牛頓流體模型;阻力系數(shù);數(shù)值實驗摘要:運用非牛頓流體模型對水煤漿流經(jīng)直管進行數(shù)值模擬,通過壓差實驗值與計算值的比較驗證計算模型的正確性?；谡_的計算模型,進行數(shù)值實驗研究沿程阻力系數(shù)?？偨Y(jié)得出水煤漿流經(jīng)直管時沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。通過對速度場的分析,得出水煤漿流動的核心區(qū)。中圖分類號:TQ53文獻標(biāo)識碼:A沿程阻力系數(shù)定義1前(1)水煤漿管道輸送比其它運輸方式如卡車或火車具有明顯的優(yōu)勢,同樣具有經(jīng)濟性。管道輸送是可靠的不受惡劣氣候如暴風(fēng)雪或低溫的影式中:△p—測量段壓差,Pa;密度,kg/m2;響,并且由于一定程度的自動操作,人工勞動相V—流速,m/s;對減少,也開辟了輸送能源新技術(shù)的開端,那就d一直徑,m;是遠距離高容量煤漿管道輸送。水煤漿在直管中輸送,存在沿程阻力損失,對水煤漿流經(jīng)直管L—測量長度,m。為了研究沿程阻力系數(shù)對非牛頓流體在圓時沿程阻力的數(shù)值實驗研究具有重要的意義管中的流體力學(xué)特性,許多研究者2針對不同本文采用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計法相結(jié)合,得出水的研究對象和研究目的,提出不同的雷諾數(shù)定煤漿的流變方程,運用非牛頓流體模型對濃度分義,本文采用基于壁面表觀粘度的雷諾數(shù)別為57.08%和59.10%的神華水煤漿進行數(shù)3n+1、8值模擬。通過實驗值與計算值的比較,驗證計算Re,=_evd模型的正確性;基于正確的計算模型對管徑分別式中P—密度kg/m;為25mm32mm、40mm和50mm的直管進行V—流速,m/s;數(shù)值實驗,研究沿程阻力系數(shù)。d—直徑,m;2沿程阻力系數(shù)v—表現(xiàn)粘度流變指數(shù)。1933年尼古拉茲采對一系列管道進行實驗,得出了管道沿程阻力系數(shù)變化的一般規(guī)律:3水煤漿的流變方程(1)雷諾數(shù)Re<2000時,水流為層流,λ與運用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計法得出2個濃度Re呈倒數(shù)關(guān)系,且A=64/Re下水煤漿的流變方程:(2)20004000時,水流處于湍流狀式中國煤化工態(tài),受到的影響因素較多。CNMHG收稿日期:2007-07-03基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項日(2004CB2l7701)作者簡介:趙國華(1983-),男,東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事潔凈煤技術(shù)研究鍋爐技術(shù)第39卷計算模型進行數(shù)值模擬。通過計算得到實驗壓差與計算壓差對比如下圖:4.1控制方程水煤漿在管內(nèi)流動是一個等溫過程,不考慮管徑25mm質(zhì)量濃度溫度變化,直角坐標(biāo)系中定常條件、不可壓縮流實驗值體流動通用形式方程為:t ot pg)+div(pup)=div(rgradp)+S(3)中:卓—自變量;流體的密度U—速度矢量;r—擴散系數(shù);流速/m-1s—源項量廠和S與ψ值有關(guān)圖1管徑為25mm中計算值與實驗值對比當(dāng)∮=1時通用微分方程變?yōu)橘|(zhì)量守恒方程;當(dāng)=L、亂、時分別為坐標(biāo)系3個方向上的動管徑32mm質(zhì)囊濃度實驗值量方程。M、42、為坐標(biāo)系3個方向上的速度。4.2非牛頓流體運動方程描述非牛頓流體的流變方程,建立應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系,表達式為:r2=2+(g÷)式中:y—剪切速率,1/s;r——剪切應(yīng)力,Pa;3.75流速/m1—屈服剪切應(yīng)力,Pa圖2管徑為32mm中計算值與實驗值對比m、g、C—常系數(shù)(5)管徑40m實驗值0計算值au,⊥aur(8)rx=rn=Bu4⊥a(9)au, au淀速加y24圖3管徑為40mm中計算值與實驗值對++A(11)A-2y+2y+22y++2y+實驗度5濃度管徑50mm質(zhì)量375}0-計算)2+rx、r、r為坐標(biāo)系3個方向上的法向應(yīng)力rx、rs、r、ra、r為坐標(biāo)系3個方向上的切中國煤化工向應(yīng)力CNMHG5數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比對2個濃度的水煤漿運用非牛頓流體模塊圖4管徑為50mm中計算值與實驗值對比趙國華等直管內(nèi)水蝶漿流動阻力的數(shù)值實驗10管徑25mm質(zhì)量濃度在20%以內(nèi),從而運用非牛頓流體模型中的一實驗值Herschel- Bulkley模型是正確的,運用此模型進行數(shù)值實驗,探討沿程阻力損失系數(shù)與流速、管徑的關(guān)系是可靠、有工程應(yīng)用的實際價值的6數(shù)值實驗結(jié)果6.1沿程阻力系數(shù)對管徑為25mm、32mm、40mm和50mm在各個流速下進行數(shù)值實驗,探討沿程阻力系數(shù)圖5管徑為25mm中計算值與實驗值對比與雷諾數(shù)的關(guān)系。圖9和圖10是2個濃度下各個管徑中的沿管徑32mm質(zhì)量濃度實驗值59.10%程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系,并且與牛頓流體中沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系相比較。雷諾數(shù)采用基于表觀粘度的雷諾數(shù),從圖中可以看出,沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小,并趨于相同;隨煤漿的濃度增加而增加;相同雷諾數(shù)下,水煤漿的沿程阻力系數(shù)比牛頓流體的沿程阻力系數(shù)大,隨雷諾數(shù)的增加,水煤漿沿程阻力系數(shù)與流速/m-1牛頓流體的沿程阻力系數(shù)的差值越小。圖6管徑為32mm中計算值與實驗值對比質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度額12牛頓流體0400800120016002000240000051015202.530雷諾數(shù)流速m-4圖9沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖7管徑為40mm中計算值與實驗值對比都1240080011600200020030.6091.21.518雷諾數(shù)流速/m圖10沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖8管徑為50mm中計算值與實驗值對比中國煤化工力系數(shù)與雷諾從圖1至圖8中顯示單位長度壓差隨流速的數(shù)的關(guān)HCNMHG增加而增加,基本呈線性變化。通過實驗值與計濃度57.08%時:A=100/Re142算值比較,計算值與實驗值相當(dāng)接近,相對誤差濃度59.10%時:A=100/Re15鍋爐技術(shù)第39卷經(jīng)驗公式的形式與牛頓流體的沿程阻力系徑中的無量綱速度分布應(yīng)該是完全重合的,從圖數(shù)公式A=64/Re相比還是相當(dāng)接近的。l1圖122個圖可以看出無量綱速度分布重合度6.2速度分布非常好。速度從管壁到管中心逐漸增加,速度梯速度分布是反映水煤漿在管道中的流動狀度越來越小,中間產(chǎn)生一個流動核心區(qū),從圖中況。圖11和圖12是2個濃度下水煤漿在各個管可以大概看出核心區(qū)為之間徑中的無量綱速度分布,橫坐標(biāo)是無量綱半徑,為各點半徑與管道半徑的比值縱坐標(biāo)是無量綱7結(jié)論速度,為不同半徑處的速度與管道平均速度的比運用非牛頓流體模型結(jié)合進口條件運用外值。理論上對于同一個濃度的水煤漿在不同管接函數(shù)處理,對2個濃度的水煤漿流經(jīng)4個管徑的直管進行數(shù)值計算,通過實驗值和計算值的壓差比較,驗證計算模型的正確性?；谡_的計算模型對水煤漿流經(jīng)直管進行數(shù)值實驗,沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小,并趨于相同;隨煤漿的濃度增加而增加;相同雷諾數(shù)下,水煤漿的沿程阻力系數(shù)比牛頓流體的沿程阻力系數(shù)大,32隨雷諾數(shù)的增加,水煤漿沿程阻力系數(shù)與牛頓流體的沿程阻力系數(shù)的差值越小?？偨Y(jié)得出水煤漿流經(jīng)直管時沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式,并與牛圖11濃度57.08%無量綱速度分布頓流體流經(jīng)直管時沿程阻力系數(shù)相比較,形式比較接近。水煤漿在直管流動過程中,產(chǎn)生的流動核心區(qū)大概為一3R-3R之間參考文獻[]孔現(xiàn).工程流體力學(xué)[M門.北京;中國電力出版社,199225[2] Cohen Y, Metner A. B. Apparent slip flow of polymer solutions[J].J. Sheol,1985,34(29):67-102[3]岑可法,姚強,曹欣玉,等.煤漿燃燒、流動、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,1997[4]沈崇棠劉鶴年非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用[M]北京:高等教圖12濃度59.10%無量綱速度分布育出版社,1989Numerical Experiment of Flow Resistance ofCoal-water Slurry in Straight TubeZHAO Guo-hua, CHEN Liang-yong, LIU Meng, DUAN Yu-feng(Key laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technologyof the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)Key words: coal-water slurry; non-newtonian model; friction coefficient: numerical simulationAbstract:Numerical simulation of coal-water slurry flow in straight tube by Non-Newtoni-an model, the correctness of computational model was中國煤化工n of pres-sure drop between experimental values and calculatedmerical experiments were carried, the distance frictionCNMH GThe expe-rienced formula of distance friction coefficient was gained. By the study on velocity fieldcore region of flow in straight tube was given out