水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟

第40卷第2期东南大学学报(自然科学版)Vol 40 No. 22010年3月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY( Natural Science Edition)Mar.2010doi;10.3969/ 1. Issn.l001-0505.2010.02.036水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟陈良勇12段钰锋!刘猛!蒲文灏!赵长遂(东南大学能源与环境学院南京210096)(2南京工业大学能源学院南京2100摘要:以 Eulerian多相流方法为基础建立了水煤浆流动的液圊两相流体动力学模型,并对水平管入口段内水煤浆流动进行了模拟.模型采用顆粒动理学理论求解固相本枃方程,釆用RNGk-ε湍流混合模型描述颗粒间具有强烈作用的两相湍流流动.针对水煤浆中煤粉颗粒的双峰分布特性,将煤粉看作2种大小不同的固相,同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换模型有效性通过 Kaushal等试验结果和水煤浆的压降试验验证,通过模拟考察了入口段内速度及浓度分布过程和入口段长度的变化规律,结果表明:重力和颗粒间的相互作用对浓度和速度分布过程具有重要影响;固相体积分数在30%-49.5%范围内,入口段长度随浓度的增加而减小,随平均流速(0.2~5.0m/s)先增加后减小关键词:水煤浆;入口段;多相流模型;颗粒动理学中图分类号:O373文献标志码:A文章编号:1001-0505(2010)02040207Numerical study of developing coal-water slurry flown entrance region of horizontal pipeChen Liangyong", 2 Duan Yufeng Liu Meng Pu Wenhao Zhao Changsui(School of Energ(College of Energy, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)Abstract: An Eulerian multi- fluid flow model is developed to carry out a numerical study on coalwater slurry flow in the entrance region of horizontal pipe. The kinetic theory of granular flow isused to calculate constitutive equations of the solid-phase components and the rng - turbulentmodel is incorporated into the governing equation to model turbulent two phase flow with strong par-ticle-particle interactions. In this model, the coal particles with bimodal distribution are consideredtwo solid-phase components and the moment exchange between solid and liquid phase as well as thatbetween solid and solid phase are taken into account. The model was validated with Kaushal experi-mental data from available literature and the pressure gradient data by author's experiments. The nu-merical investigations focus mainly on the developing processes of volume fraction and velocity dis-tributions in the entrance region as well as the entry length. The results show that the gravitationalforce and the strong particle-particle interaction have significant effects on concentration and velocitydistribution profile. The entry length decreases as solid concentration increases from 30% to 49.5%and for the same slurry, the entry length firstly increases and then decreases when the inlet velocityincreases from 0. 2 to 5.0 msKey words: coal water slurry: entrance region; multi-fluid model; kinetic theory of granular flow收稿日期:2000930.作者简介:陈良勇(1977-)男博士生:段钰锋(联系人)男博士教授博士生导师, yidun@seu.cd.cm基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项日(2010CB227001)引文格式:陈良勇段钰锋刘猛,等水平管人口段内水煤浆流动特性数值模拟[J]东南大学学报:自然科学版,2010,40(2):402-408[doi:0.3969/j,isn.1001-0505第2期良勇,等:水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟水煤浆(CwS)管道输送技术是实现大规模高双颗粒组分浆体流动的试验结果1,但所提供效煤气化技术或CwS燃烧技术集成的关键组成的流动信息仅限于管道阻力损失,另外,尚无文献部分之一.目前,由于测量技术的限制和液-固两相报道双颗粒成分浆体在管道入口段内流动规律基流动的复杂性,除阻力损失外,对CwS这类高浓于以上分析,本文以 Eulerian方法和KTGF理论为度浆体的流动测量十分困难流体动力学建模方法基础建立cws流动的液-固两相流体动力学模是获得浆体内部全面流动信息的有效替代方法,可型,采用RNGkε湍流模型描述液-固两相湍流流为管道输送系统的设计和运行参数的优化提供动;将煤粉(双峰分布)看作大小不同的2种固相参考同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交在高浓度浆体流动的研究中, Eulerian方法为换模型的有效性通过文献[13]的测量数据和描述液-固两相流动特性提供了合理的框架,不但Cws压降试验数据验证;基于CwS实际流动工况可以全面地考虑液相颗粒相和壁面之间的相互作进行模拟,重点考察入口段内速度及浓度分布过程用,而且可以在动力学规律上描述各相内部的动力和入口段长度的变化规律学性质,固相还可以考虑碰撞与摩擦,基于 Euleri-an方法Hsu"建立了适用于非胶体特性浆体的多1数学模型相流模型,其中考虑了固相对液相湍流的影响As1.1基本守恒方程sar(2基于各相的动量守恒方程和浓度的对流扩散连续方程方程,建立了高浓度液固两相流动模型作为Eulev·(apr)=0rian模型的简化形式,混合模型( mixture model)广1,2(1b)泛用于预测浆体流动压降浓度和速度分布3动量方程其中引入代数滑移方程描述液固两相的相对运动·(apHr·)=-arVp+V模拟计算只需求解混合相的连续方程、动量方程以及颗粒相的体积分数方程,可直接引入湍流模型进∑Bn;(u,-1)+apg行计算Hu和Asar的模型取得了一定的成功,V·(aupn4s·")=-aVP-卩p+V·π+但封闭控制方程需大量的经验式或需通过试验确Bn(-")+B1(y-")+apg(2b)定相关系数,在CWS这类高浓度浆体流动的数值式中,r,a和p分别为液相的体积分数速度和密模拟研究中受到较大限制;虽然混合模型计算量较度;an,u。和p分别为第i固相的体积分数、速度少,但只在中等浓度以下获得合理结果最近,在和密度.在任意空间点满足Eulerian多相流模型的框架下采用颗粒动理学理(3)论( kinetic theory of granular flow,KTGF)封闭控制方程成为高浓度液固两相流动模拟的一个新的x=a+()-2ax(V·m,)发展方向.KTGF理论能够合理描述颗粒间的摩擦与碰撞赋予固相特性参数和输运系数明确的物理(4a)意义,避免过多的经验处理,使 Eulerian模型可以πw=aμ[Vu。+(Vu,)"]+求解复杂的高浓度浆体流动问题.应用该理论框(A-3m)(v·.)(4b)架,文献[6-8]通过数值模拟研究了流化床内高式中,和为液固两相的应力张量;Vp和Vp浓度浆体的流动规律文献[9-11]应用 Eulerian为各相共享压力及颗粒碰撞产生的固相压力Bn方法和KTGF理论模拟直管和弯管内液固两相为液固相间的动量传递系数,计算中仅考虑曳力作流动用,当a≤0.8时B1采用 Ergun公式计算,当ar水煤浆的煤粉颗粒通常呈现双峰分布粗细0.8时采用Wen和Yu公式5;为两固相间的颗粒的粒径差别较大,在CWS流动问题的研究中动量传递系数若将煤粉看作单一粒径的颗粒会产生较大偏差,合模型中考虑不同固相之间的相互作用和影响E≈3(1+)(2+c票理的方法是按颗粒分布特性将其看作2种固相,在p,(d+d)282(p, d,+e, d)enan方法与KTGF理论相结合为这类问题的研(5)究提供了良好的理论基础(23.目前,有文献报道了式中,e为碰撞恢复系数;C,为摩擦系数,取值404东南大学学报(自然科学版)第40卷0.15;d和d为颗粒直径+d(15)1.2固相本构方程KTGF理论认为,流体-颗粒两相流动中的颗式中,a,mx为固相混合物的最大填充分数粒相在微观尺度上的特性与分子尺度下的气体分1.3湍流模型子特性类似,颗粒的脉动速度遵从 Maxwellian分液固两相湍流流动采用RNGk模型描述布通过类比,定义颗粒的温度和建立颗粒拟温度液固两相具有相同的湍动能及湍动能耗散率为方程表示颗粒相的脉动和相应的传递特性V·(pn4nk)=V·( a,umer v k)+颗粒拟温度方程-Pm832V·(pan4.6)=(-PnlI+r):+v·(pn"ne)=V·( a Vs)+R(16V·(knV6)-ys+中+Ds(6)式中,=号(C)为颗粒拟温度反映颗粒间碰式中n和为各相的平均密度和平均速度撞产生的小尺度脉动强度,(c2)为颗粒脉动速度的均方根;k。为颗粒的相扩散系数;y为颗粒间模拟对象和计算方法的非弹性碰撞引起的脉动动能耗散率;d为颗粒2.1模拟对象相的脉动动能在连续相中的耗散;D为颗粒的能模拟计算以水平管内CWS流动阻力试验为量耗散率,分别定义如下:基础试验装置测量方法见文献[19].模拟工况和基本参数如下:煤粉真密度1.465;煤粉平均直384(1+en)g1+a8a(1+cn)径d=134.5m;浆体温度T=20℃;试验管径D=32mm.试验测量了3种体积分数和不同流速下2a p,d gou(1 +eu)N丌(7)直管稳定段上的流动阻力浆体的总体积分数φ分别为30%,41.7%和49.5%.流速在1-5m/s煤y.=3(1-c2)8,o26(4粉粒径分布见图1,按双峰分布特性,将煤粉看作(8)直径由65,345m的2种球形颗粒按体积比31混(9)合而成Du-an|2(10)峰值1d固相压力p包含动力学和颗粒碰撞2部2.0分,即Pw=Puas 0u+22(1+ey). 0. 8o.ga ay固相剪切黏度μ和体积黏度15,17]为图1煤粉粒度分布d goa(1 +eu)2.2计算方法1Opd√6,T计算采用管道长度为200D,基于对称性取管96a(1+e)gsa80.(1+en)道一半作为计算区域;端面网格采用O型辐射网(12)格计算区域的离散化采用有限容积方法,方程的2aP.4.go.(1 +e)((13)离散采用一阶迎风格式同时求解流动方程体积分数方程、颗粒拟温度方程和湍流方程,压力和速辐射分布函数g和o1为度的求解采用 phase-coupled SIMPLE方法在壁面=[1-(5a)]+05动处液相采用无滑移边界条件,固相采用 Johnson等提出的部分滑移边界条件测,在管道入口假设(14)固相的体积分数一定,各相混合均匀,人口速度均第2期陈良勇,等:水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟匀,径向和切线速度为零;湍动能为来流动能的1.5%,湍动能耗散率为0.1k2.管道出口采用充分发展管流条件;颗粒间及颗粒与壁面间的碰撞恢复系数取0.95~0.993结果与讨论3.1模拟与试验结果的对比Kaushal等实验测量了双颗粒组分浆体流动在稳定直管段上的压降和垂直径向上的浓度分-1布浆体由水和2种直径的玻璃珠混合构成,玻璃020.40.60.8珠密度为2470kg/m3;玻璃珠平均直径分别为125(a)I m/s和440μm,均为窄筛分分布;试验管道直径549mm,水平布置;管道入口浆体总体积分数为40%粗细颗粒体积比为1:1,流速V=1~5m/s.图205给出了用本文所建模型得到的压降模拟值与试验值(L为管长;△P为管长L上的压差)图3给出了不同平均流速下垂直径向上(R为管道半径;r为离管道中心的径向位置)总浓度分布的模拟值与测量值,图中还包括粗细玻璃珠的分浓度q的模拟值由图可见,在不同流速下,总浓度分布的模拟值与测量值基本吻合.分浓度的计算结果显示,在(e)3 m/s(d)5m/s低流速下,粗玻璃珠在重力作用下向管道底部沉d/pm:-125(模拟);-40(模拟);-0-40+125(模拟);降,细玻璃珠在垂直径向上分布相对均匀,这与文■40+125(测量)献[13]的试验结论一致图3垂直径向上玻璃珠的浓度分布试验值一模拟值41.7▲49,5V/(ms21)v/(m”81)图2125和440μm破璃珠混合浆体的压降图4cwsS的压降模拟值与试验值图4给出了稳定直管段上CWS流动的压降管道断面的大部分区域:在管道底部,少量细颗粒模拟值与试验值,其中离散点为试验值对应的连开始被增加的粗颗粒“挤出”,细颗粒体积分数由续曲线为模拟值由图可见,各浓度下的模拟值与31.3%减小为30%.随x的增加粗颗粒体积分数试验值基本吻合,两者平均误差小于15%9%-12%的中间区域面积不断缩小,体积分数低3.2入口段内的浓度分布发展过程于9%和高于12%的上、下两区域相应地增大,与图5列出了中=41.7%,V=0.5m/s时入口此同时粗颗粒平均体积分数在上部区域逐步减段内各相体积分数的分布发展过程在轴向距离x小,在下部区域逐步增加,如图5(a)中x=10D=5D时,各相体积分数的显著变化仅限于靠近上、30D所示图5(b)中x=5D~30D显示随x的增下管壁的较小区域内此时粗颗粒在重力作用下加细颗粒体积分数的变化仅限于管道下部较小区开始向管道底部聚集管道上部体积分数开始减域内;在中、上部区域细颗粒体积分数仅有少量增小底部体积分数开始增加,9%-12%的范围占据加且分布始终较为均匀对比粗、细颗粒的分布过东南大学学报(自然科学版)第40卷020143l、x=5DEO EIDx=15D6003-1031(b)细颗粒x=15-的~x=300-[~x=60回酊7/图5入口段内CWS各相体积分数的变化过程(中=4.7%,v=0.5m/s)程可以看出,在管道底部粗颗粒沉积越多,被“挤19出”的细颗粒也越多.可见,除粗颗粒的强沉降特性外,粗、细颗粒间的相互作用也是导致各相重新分布的主要动力对比图5(a)~(c)中x=30D和x=60D可见,x=30D时各相的分布已经完成,颗粒体积分数分布不再变化,水分由最初的均匀分布达到管道上部体积分数增多、下部体积分数减少的分布格局图6给出了入口段内垂直径向上粗颗粒浓度分布随轴向距离的变化过程在入口段的初始段,图6入囗段内垂直径向上的粗颗粒浓度分布(甲=浓度均匀分布的中间区域迅速缩小;在x=30D左41.7%,v=0.5ms)右,浓度分布不再变化流体黏性和壁面影响有关;对具有沉降性的浆体,3.3入口段内轴向速度分布发展过程入口段内速度分布的发展过程还与固相浓度的分对单相流体,人口段内的速度分布发展过程与布过程有关图7给出了φ=41.7%,V=0.5m/s第2期陈良勇,等:水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟407时入口段内轴向速度分布的变化过程.由于液固两域的速度分布均匀,而且垂直和水平径向上的速度相间的相对速度较小,此处速度值采用各相的平均分布较为相似随x的增加,壁面对速度分布的影速度在x=5D处,由于浆体黏性和壁面影响,壁响不断向中心扩展的同时颗粒浓度分布不均的影面附近的流速迅速降低,为保持流动的连续性,中响逐步显现,2个方向上的速度分布差异显著增心区域的流速相应地增加,但此时壁面的影响仅限加即在靠近管道中间区域,垂直径向上的速度梯于靠近壁面的有限区域内在x=5D~30D的范围度显著增大,水平径向上的速度梯度变化相对较内,随x的增加,壁面附近的流速进一步降低,壁面小,这导致端面内的等速度线呈椭圆形分布阻滞的影响逐步向管道中心扩展;当x=30D时壁面影响已扩展到管中心区域对比速度分布和浓度分布的发展过程看出,x=30D时浓度分布过程已基本完成,速度分布在x从30D增加到60D时仍然有较大变化,并在x=60D时才达到稳定.可见,浓度分布过程完成时速度分布尚未完成速度100D的稳定长度要比浓度的稳定长度更大,大约是浓度稳定长度的2倍.因此,入口段长度应以速度的稳定长度计算0.60.8由图7可见,在x<15D的范围内等速度线基v/(ms-1)()垂直径向本呈圆形分布,这说明颗粒分布不均的影响并不显著;当x>15D时,等速度线开始偏离圆形分布由重力和颗粒间相互作用导致的总浓度分布不均以及粗细颗粒分浓度的分布不均开始对速度分布产生显著的影响随x的增加,等速度线偏离圆形的程度显著增加图8给出了入口段内垂直和水平径向上轴向速度分布的变化过程在人口段的初始段内,壁面对速度的影响仅限于靠近壁面的较小区域,中间区06x=5D)水平径向图8入口段内轴向速度分布(q=41.7%,v=0.5m/s)3.4入口段长度入口段长度L是入口段流动分析的重要参数在经过L长度后管道截面上的流动参数不再受进口处速度分布的影响图9给出了L随浓度和速度的变化规律各浓度下,L均先随v的增而迅速增加,然后随V的增加而缓慢降低,这是因为在较高的流速下,浆体湍动能和湍流黏度迅速增二二v/(m's-)图7入口段内的速度分布过程图9入口段长度408东南大学学报(自然科学版)第40卷大导致固相浓度分布和速度分布更快地达到了稳dict the velocity and concentration profile for solid-liqui定状态另外,L随φ的增加而减小,这是因为浓lurry flow in pipelines[ C]//The 17th intemational度增高导致浆体的整体黏度增加,从而使浆体流动Conference on the Hydraulic Transport of Solids. Cape在较短的距离内达到稳定状态town Southem African, 2007: 149-176.[10]刘永兵,陈纪忠,阳永荣管道内液固浆液输送的数4结论值模拟[冂浙江大学学报,2006,40(5):858-863.Liu Yongbing, Chen Jizhong, Yang Yongrong Numeri-1)当流速和固相浓度在较大范围内变化时cal simulation of liquid-solid two-phase flow in slurry所建模型都能很好地预测水煤浆管内流动获得各pipeline transportation[ J] Journal of Zhejiang Univer相浓度分布和速度分布及压降等重要流动信息siy,2006,40(5):858-863.( in Chinese)2)粗颗粒的强沉降特性和粗、细颗粒间的强11 Shinichi O, David S,koho. Numerical study on de-烈作用是导致各相重新分布的主要动力.人口段velopment of particle concentration profiles in a curvedmicrochannel [J]. Chemical Engineering Science内浆体由均匀混合状态逐步过渡到粗颗粒沿重力2006,61(11):3714-3724.方向上具有较大浓度梯度、细颗粒整体分布相对均[12]HeYR, Chen h s, Ding Y L,eta. Solids motion and匀的状态segregation of binary mixtures in a rotating drum mixer3)速度稳定长度约是浓度稳定长度的2倍;[ Chemical Engineering Research and Design颗粒浓度分布不均对速度分布产生显著影响主要00785(7):963-973发生在入口段的后段[13Kaushal D R, Kimihiko S, Takeshi T, et al. Effect of4)入口段长度随浓度的增加而减小,随平均particle size distribution on pressure drop and concen-tration profile in pipeline flow of highly concentrated流速先增加后减小slurry[ J]. International Journal of Multiphase Flow参考文献( References)[14] Skudarmov P V, Lin CX. Ebadian M A. Double-species[1 Hsu F L Flow of non-colloidal slurries in pipelines, ex-slurry flow in a horizontal pipeline [J] Journal of Flids engineering,2004,126(1):125-132periment and numerical simulations[ D]. Chicago, USA: [I5] Gidaspow D Multiphase flow and fluidization: continu-University of Illinois, 1987[2] Assar M H Theoretical and experimental study of slurryun and kinetic theory descriptions [M. New Yorkflow in pipe[ D]. Ohio, USA: Case Westem Reserve UNew York Press. 1994.niversity, 1996[16]Ding J, Gidaspow D. A bubbling fluidization model u[3] Ling J, Skudarnov P V, Lin CX, et al. Numerical inves-sing kinetic theory of granular flow[J]. 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