第35卷第10期束電力Vol 35 No 102007年10月East china Electric PowelIOT彎管內(nèi)水煤漿流動(dòng)阻力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究趙國(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)室江蘇南京21006)摘要;結(jié)合管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法對(duì)神華煤水煤漿進(jìn)行了流變特性測(cè)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(tái)建立了水煤漿90°彎管的流動(dòng)模型通過計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。運(yùn)用正確的計(jì)算模型對(duì)水煤漿流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)進(jìn)行了多變量數(shù)值模擬得出了彎管工程設(shè)計(jì)中最佳彎徑比與流速的關(guān)系,總結(jié)出適合工程應(yīng)用的水煤漿流經(jīng)較小彎徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。且彎管內(nèi)最大速度點(diǎn)隨彎徑比的增大往彎管外側(cè)移動(dòng);隨彎徑比或彎曲角度的增大,彎管內(nèi)的速度場(chǎng)趨于一致。關(guān)鍵詞:水煤漿;彎管流動(dòng);數(shù)值試驗(yàn);阻力損失系數(shù)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(2004CB217701)作者簡(jiǎn)介:趙國(guó)華(1983-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)闈崈裘喊l(fā)電及燃燒技術(shù)。中圖分類號(hào):TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10019529(2007)10000604Numerical experimentation on flow resistance of coal-water slurry in curved pipeZHAO Guo-hua, CHEN Liang-feng, DUAN Yu-fengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of Ministry of EducationSoutheast Univ, Nanjing 210096, China)Abstract: 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 wagained. The model of coal-water slurry now in a curved 90o bend was established by using CFD software platformand the computational model was proved correct through comparison between calculated values and experimental val-es. With the correct computational model, numerical experiments on local resistance coefficient was conducted,pro-iding the interrelations between the best bend diameter ratio and flow velocity in engineering design as well as theempirical equation of local resistance coeficient for practical engineering. It is also concluded that with increasing ofthe bend diarneter 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 angle.Key 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(duì)氣化技術(shù)的基礎(chǔ)性研究,并應(yīng)用于新型高效的潔具有非牛頓流體性質(zhì)的水煤漿運(yùn)用數(shù)值試驗(yàn)的方凈煤發(fā)電技術(shù)ICCC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(jìn)行研究輸送過程中常見的部件。當(dāng)流體流過彎管時(shí),由尚未見報(bào)道于向心力及壁面壓力梯度的作用,使得流體的運(yùn)水煤漿是一種非牛頓流體,流經(jīng)彎管時(shí)的局動(dòng)狀態(tài)變得極為復(fù)雜1),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(dòng)而且在彎頭的進(jìn)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 Pal3)、 Deshpande漿的流變模型彎管的幾何形狀和漿體的流速等and Barigou“對(duì)非牛頓流體的突擴(kuò)突縮管件進(jìn)行結(jié)合兒““流經(jīng)彎管進(jìn)行中國(guó)煤化了實(shí)驗(yàn)研究, Jure Marm1運(yùn)用二次方程流變模型數(shù)值對(duì)剪切變稠的高濃度灰水混合物流經(jīng)90°彎管進(jìn)驗(yàn)周CNMHG究可以減少實(shí)行過數(shù)值模擬, Sing and Mishra6在大彎徑比下提本文從實(shí)驗(yàn)出發(fā),總結(jié)出關(guān)于彎徑比和雷諾趙國(guó)華等彎管內(nèi)水煤漿流動(dòng)阻力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究7(總904)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為工業(yè)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供依據(jù)。-P+2B(4)1試驗(yàn)研究+2B11水煤漿流變方程的確定水煤漿的流變模型很多,影響因素也很復(fù)雜,T÷T=對(duì)水煤漿在管道內(nèi)的恒定剪切流動(dòng)通過管流法測(cè)量其壓降和流量,可推算剪切應(yīng)力與應(yīng)變速度rn=B(咝的關(guān)系,從而確定流變方程。管流法一般可測(cè)量中、高剪切速率下的水煤漿流變方程;旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)BC法測(cè)量低剪切速率下的水煤漿流變方程。在25℃恒溫下,對(duì)質(zhì)量濃度為57.08%的神華水煤漿運(yùn)用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法相結(jié)合的方法,測(cè)B=[(9)出水煤漿在較大范圍內(nèi)的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系,運(yùn)用屈服一冪律模型得出水煤漿的真實(shí)流A=[2()2+2()2+2(9+)2+變方程為:r=845+(0.068·y)1(10)1.2實(shí)驗(yàn)彎管試驗(yàn)彎管管徑為50mm,R/R分別取3、8、T,T坐標(biāo)系3個(gè)方向上的切向應(yīng)么式中r、Tn、T。坐標(biāo)系3個(gè)方向上的法向應(yīng)力10,6為彎管部分對(duì)應(yīng)的圓心角R/R為彎管半徑與管道半徑的比值(彎徑比),是衡量局部管件3網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算條件阻力損失系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。試驗(yàn)分別測(cè)試了計(jì)算中網(wǎng)格采用四面體和六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)不同工況下水煤漿流經(jīng)彎管時(shí)上、下游的壓差。格,節(jié)點(diǎn)距離在2~4mm之間。人口邊界條件:水煤漿的密度為1198計(jì)算模型kg/m3,采用平均速度進(jìn)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(dòng)是一個(gè)等溫過程,不考2200,流動(dòng)可認(rèn)為是層流流動(dòng)。差分格式采用慮溫度變化,直角坐標(biāo)系中定常條件、不可壓縮流階迎風(fēng)格式,算法采用 SIMPLE算法收斂誤差控體流動(dòng)通用形式方程為制在0.1%。a(p)+divp)=dv(rga)+S(1)4數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)比較式中φ為自變量,p為流體的密度,U為速度矢量,廠為擴(kuò)散系數(shù),S為源項(xiàng),量廠與S中值有關(guān)。當(dāng)中=1時(shí),通測(cè)量中只能對(duì)宏觀參數(shù)進(jìn)行測(cè)量(例如彎管上下坐標(biāo)系3個(gè)方向上的動(dòng)量方程。亂、,、叫,為坐標(biāo)系3個(gè)游的壓差)。受測(cè)量水平的限制對(duì)速度場(chǎng)和表方向上的速度。觀粘度場(chǎng)難以測(cè)量。在相同試驗(yàn)段計(jì)算出試驗(yàn)管22非牛頓流體運(yùn)動(dòng)方程件彎管上、下游的壓差,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比描述非牛頓流體的流變方程,應(yīng)力與剪切速圖1、圖2和圖3是不同彎徑比下計(jì)算的彎率和流體速度的關(guān)系表達(dá)式為:管上、下游壓差與實(shí)測(cè)值的對(duì)比?？梢钥闯鲇?jì)算式中y剪切速率剪切應(yīng)力一命(2)值與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果比較接近相對(duì)誤差小于=T8+(·y)30%,說明運(yùn)用非牛頓流體模型建立的數(shù)學(xué)模型服剪切進(jìn)行應(yīng)力;mψ、c—常系數(shù)。中國(guó)煤化工進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),探討CNMHG何形狀等的關(guān)+2B(3)系為工程應(yīng)用提供可以借鑒參考的設(shè)計(jì)參數(shù)。8(總905)束電力2007,35(10)RDl.5一試驗(yàn)值f=218一計(jì)算值式中p1—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(dòng)中,雷諾數(shù)的定義很多,根據(jù)水煤漿的性質(zhì)運(yùn)用基于壁面表觀粘度的雷諾數(shù)速度s比較合適,定義為圖1彎徑比為1.5時(shí)試驗(yàn)測(cè)量壓差與計(jì)算值比較式中p—水煤漿的密度,kg/m3;流速,m/s;R/D=1.5試驗(yàn)值d—管徑,m;n—表觀粘度,Pa·s計(jì)算值53數(shù)值實(shí)驗(yàn)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(duì)彎管的阻力系數(shù)的影響。對(duì)管徑為50mm的彎管,彎徑比按照工程上常見的標(biāo)準(zhǔn),取彎徑比為1.2、1.6、23、4、6、8、10、12時(shí),進(jìn)口流圖2夸徑比為4時(shí)試驗(yàn)測(cè)量壓差與計(jì)算值比較速分別為0.25、0.50.75、1、1.25、1.5、1.75、2m/s進(jìn)行模擬計(jì)算,研究局部阻力系數(shù)與彎徑比、RD6流速的關(guān)系54數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析54.1局部阻力系數(shù)根據(jù) Mishra- Gupta對(duì)大彎徑比下總結(jié)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(guān)系,運(yùn)用此方法對(duì)小彎徑比下水煤漿流經(jīng)90彎管的局部阻力系數(shù)進(jìn)行研究,其關(guān)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(shí)試驗(yàn)測(cè)量壓差與計(jì)算值比較彎徑比的增大,變化明顯。5彎管內(nèi)水煤漿流動(dòng)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究51局部阻力系數(shù)對(duì)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(duì)彎徑比大于12的管道進(jìn)行了研究提出了經(jīng)驗(yàn)公式=1+0.033( log De)(11)式中f——流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)f=16/Re;DeaDeM凵中國(guó)煤化工工程上,局部損失系數(shù)與流速的關(guān)系通常通系數(shù)過局部損失系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)出來。局部CNMH流經(jīng)小彎徑比損失系數(shù)定義為:時(shí),局部損失系數(shù)與彎徑比及雷諾數(shù)的關(guān)系如下。趙國(guó)華,等彎管內(nèi)水煤漿流動(dòng)阻力的數(shù)值實(shí)驢研究9(總906)--1.18+6.84P+(0.53-0.07P)( logUe)6式中f—流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)f,=16/Be;De=√2P;P=2R/R。54.2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(shí)的彎徑比。對(duì)彎徑比從12~12各個(gè)流速下進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)得出各個(gè)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(shí)際工程90°彎管設(shè)計(jì)時(shí)彎徑比取1.8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12和2時(shí),彎曲管道中,內(nèi)側(cè)圖7θ=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(jìn)行研究,總結(jié)出適合工程應(yīng)內(nèi)側(cè)。隨著水煤漿流經(jīng)管道截面(6分別為30的經(jīng)驗(yàn)公式。(3)對(duì)彎管截面的速度場(chǎng)分析45°609時(shí)),最大速度的偏離更加明顯,速度場(chǎng)由速度場(chǎng)隨截面夾角的增大趨于集中;最大速度點(diǎn)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(dòng),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(xiàn)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(yù)期的大,而內(nèi)側(cè)比預(yù)期的小。] Chisholm D. Brief communications of two-phasin bends[J].M山 diphase Flow,1980,6(2):363367[2] Churhil s W. Friction equation spans all now regime [J][3] Hwang CY J, Pal R. Flow of two-phase oil/water mixturesthrough sudden expansions and contractions[J].Chem.E嗎g, Japan,1997(68):l57-163expansions and contractions[ J]. Multiphase Flow, 20010.5[5] Jure Man, Primoz Temik. Laminar flow of shear-thickeningCuid in a 90%pipe bend[ J]. Fluid Dynamics Research, 2006圖58=30°截面速度分布(38):295-312.[6] Singh R P, Mishra P. Friction factor for Newtonian and non6結(jié)論ian fuid flow in curved pipes[ J].Chem Eng,Japan1980(13):27528(1)運(yùn)用計(jì)算模型比較好地模擬出了水煤漿[7中國(guó)煤化工流動(dòng)傳熱和氣化流經(jīng)彎管的流動(dòng)狀況。(2)通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)得出最一學(xué)出版社,1997佳彎徑比與速度的關(guān)系實(shí)際工程90彎管設(shè)計(jì)%王延婷CNMHG時(shí)彎徑比取1.8比較合適;對(duì)水煤漿流經(jīng)彎管產(chǎn)本文編輯: