水煤浆在渐缩管中局部阻力特性的数值试验

煤炭燃烧水煤浆在渐缩管中局部咀力特性的数值试验赵国华,陈良勇,段钰锋(东南大学洁净煤发屯及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)摘要:针对质量浓度为57.08%神华水煤浆,利用管流法和旋转粘度计法测得其流变模型。运用 FLUENT软件提供的非牛頓流体模块对水煤浆流经渐缩管进行模拟计算,比较计算压差和实验压差,证明计算模型的正确性。基于计算模型的正确性,对水煤浆在渐缩管中不同流速、不同漸缩角度的工况下进行数值试验,得出局部损失系数与雷诺数和渐縮角度的经验公式;在渐缩角度不变的情况下,改变渐縮管长度与渐缩管进口端直径比率,得出各个相应比率下的局部损失系数与雷诺数的关系。关键词:水煤浆;渐縮管;局部损失系数;数值实验中图分类号:TQ051.21文献标识码:A文章编号:10066772(2007)050052-04水煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料,既在不同流速、不同的渐缩角度、不同的渐缩管长度与保留了煤的燃烧特性,又具备了类似重油的液态燃渐缩管进囗端直径比率,对局部损失系数进行研究。烧应用特点,是目前中国一项现实的洁净煤技术。首先采用管流法和旋转粘度计法相结合得出符合随着水煤浆需求量的增大,对水煤浆管道输送研究 Herschel-Bulkley模型的流变方程,建立合理的数学的重要性日益提升。为了使水煤浆管道输送得到顺模型进行计算,将计算值与实验测得压差比较在误利进行,对管道的设计和优化提出了更高的要求。差允许的范围内验证模型的正确性,之后采用此模合理的管道设计参数是管道设计和优化的前提,管型进行数值试验,改变流速、渐缩角度、渐缩管长度道在工作过程中存在沿程阻力损失和局部阻力损与渐缩管进口端直径比率得出局部损失系数与各自失)。管道的设计和优化中常遇到管路的渐缩阻的关系,并总结适合工程应用的经验公式。力系数,合理确定渐缩阻力系数是使设计达到实际应用要求和最优化的关键,现有的设计手册或资料1实验与水煤浆流变方程的确定中,均采用了渐缩段的进出口面积有关的系数进行在水煤浆综合试验台上进行实验,运用管流法计算,只是对于水、气体和类似这种介质的流体比较和旋转粘庋计法相结合得出水煤浆的流变模型。管合理,真正的对于水煤浆这种非牛顿流体在特定的流法对水煤浆在管道内的恒定剪切流动,可实测其流速下,此系数是不合理的。一些学者2对水煤浆压降和流量,并推算剪切应力与应变速度的关系确管道输送提出许多模型,推动水煤浆管道输送数值定流变特性,此方法一般测得中、高的剪切速率模拟的发展。运用数值模拟和数值试验的手段对水下水煤浆的流变方程;旋转粘度计法测得水煤浆低煤浆流经渐缩管进行局部损失系数研究目前还比较剪切速率下的流变方程。实验在25℃恒温下对质少见。笔者首次运用数值模拟和数值试验的方法对量浓度为57.08%神华水煤浆进行管径分别为水煤浆在渐缩管中流动的局部损失系数进行研究收搞日期:2007YH宫和0mm直管流变特性测量,并国煤化工NMHG基金项目:国家重点基础研究发展计划973计划)资助顶目(2004c821701)作者简介:赵国华(1983-),男,江苏南通人硕士,主要从事煤的洁净燃烧与气化等方面的学习与研究《洁净煤技术》2007年第13卷第5期煤炭燃烧全国中文核心期刊矿业类核心期刊《 CAJ-CD规范》执行优秀期刊且在同样的温度下运用粘度计进行流变特性测量,接近,计算值相对于实验值的相对误差小于15%,达结合管流法和旋转粘度计法测出的水煤浆在广范围到工程可以接受的误差范围,从而证明计算中运用内剪切应力与剪切速率的关系,整理数据得出符合 Herschel- Bulkley模型建立的数学计算模型的正确Herschel- Bulkley模型的流变方程。 Herschel-Bulk-性。运用此模型进行数值实验探讨局部损失系数ley模型为与不同流速、不同的渐缩角度、不同的渐缩管长度与7o+ky-(r0/)"]渐缩管进口端直径比率的关系是可靠、有工程应用y=ax ax的实际价值的n为非牛顿流体的表观粘度,Pas;T为屈服剪切应力,Pa;k为稠度系数;Ho为极限粘度,Pa·s;y剪切速率,s。当r小于T0介质保持刚性,当T大于ro介质是幂定律流体Herschel- Bulkley模型结合了流体的宾汉和幂<当定律作用效果。对于低剪切速率(γ小于r。/)刚性材料”表现为粘度为灿的非常粘稠的流体;00.40.81.21.62.024渐缩管进口端流速μ/ms旦剪切速率增加,剪切应力大于屈服剪切应力了,流体表现为幂定律形式。实验得出的水煤浆的图2渐缩管两端压差的计算值与实验值比较流变方程为1—3°实验值;2——3°计箅值;3—-5°实验值;4——5°计算偵10实验值;6—10°计算值;7—20°实验值;8—20°计算值10.4+0.04931y211-(10.4/0.39)1y继而在综合试验台上对水煤浆流经进口端直径3局部损失系数数值试验研究为50mm、出口端直径为25mm渐缩角度分别为3局部损失系数定义为1度、5度、10度和20度的渐缩管进行测量,上、下游的测点与渐缩管的进、出口端留有一定的稳定段距离。通过渐缩管上游与下游之间的压差,得出局部阻力的损失。P1为入口端的压力,Pa;P2为出口端的压力,Pa;p2模型的验证为水煤浆的密度,kg/m3;a1为渐缩管进口端流速图1中D为渐缩管进口端直径,L为渐缩管长度,0实验中管内的平均流速比较小,广义雷诺数小为渐缩角度,L/D为渐缩管长度与渐缩管进口端直于2200,水煤浆管道流动可认为是层流流动。运用径比率,d为渐缩管出口端直径。实验得出的流变模型建立数学计算模型,利用FLU工程上,局部损失系数与流速的关系通常通过ENT软件进行计算,计算得出与实验相同位置的压局部损失系数与雷诺数的关系表现出来。水煤浆作差。计算中网格采用四面体和六面体网格,入口边为一种非牛顿型流体,许多研究者针对不同的研究界条件:水煤浆的密度为1198kg/m3,采用平均速对象和研究目的提出不同的雷诺数定义。笔者应度进口条件。差分格式采用一阶迎风格式算法采用基于璧面表观粘度的雷诺数定义用 SIMPLE算法,收敛误差控制在0.1%。图1是渐Re缩管上游和下游的实验测得压差与计算压差比较。p为水煤浆的密度kg/m3;u为流速,m/s;d为管测点P测点P径,mm;q为表观粘度,Pa·s运用数值试验的方法,对渐缩角度为3度、5度、10度、15度、20度、25度、30度和45度,进口直径为50mm,出口直径为25mm的渐缩管进行试验总结中国煤化工关系,此处的雷诺图1实验渐缩管示意数是CNMHG秤的物角度卜局部预天系数随着雷诺数的从图2中可以看出计算值与实验值的结果比较增加而减小,减小幅度逐渐平稳,最终趋于一个恒水煤浆在渐缩管中局部阻力特性的数值试验煤炭燃烧225100200300400500600700诺数Re图3各个渐缩角度下局部损失系数与雷诺数的关系图610度下各个LD局部损失系数与雷诺数关系l—3°;2-5°;3-10°;4-155-20°;6-25°;7-30°;845°值;相同的雷诺数下,局部损失系数随着渐缩角度的增大而减小。从图3上在误差允许范围内总结出局部损失系数与渐缩角度、雷诺数的经验关系式嶽函水吗5=(0.002602-0.2650+17.13)0.2535.83e.l(6+212)Re+50.26e123(e-15)诺数ReB为渐缩角度,度。图720度下各个LD局部损失系数与雷诺数关系图4至图7是渐缩角度分别为3度、5度、10度和20度时不同的渐缩管长度与渐缩管进口端直径4渐缩段的速度矢量场和和分子表观粘度场比率局部损失系数随雷诺数的变化。随着渐缩角度图8和图9是渐缩角度为10度的渐缩管,进口的变大同一渐缩角度下随着渐缩管长度与渐缩管端直径为50mm、出口端直径为25mm,在入口速度进口端直径比率的增加局部损失系数增加增加幅为1.75m/s时水煤浆流动的速度矢量场和分子表度逐渐变大。从而可以说明同一个渐缩角度下,随观粘度的分布场。速度在渐缩管内随着渐缩管长度着渐缩管长度的增加,增加相同长度产生的局部能增加,速度增加。水煤浆流经渐缩管时,中心核心区量损失的贡献比前一段渐缩角长度产生的局部能量的分子表观粘度变小,并且中心核心区的分子表观损失的贡献大得多。粘度随着渐缩管长度方向减小,速度梯度变化率减小;流过渐缩管后,中心核心区的分子表观粘变大。水煤浆在渐缩管整个流动过程中壁面处的分子表观粘度几平不窄.即谏度梯度没有恋化紧8.06e+07.10e+00需诺数R20e+00图43度下各个LD局部损失系数与雷诺数关系3.23e+0026e+0030e+0029e-01图8速度矢量场紧3.37e-013.I0e-012.83e-01中国煤化工100200300400CNMHG21e-01图55度下各个LD局部损失系数与诺数关系图9分子表观粘度的分布场《清净煤技术》2007年第13卷第5期煤炭燃烧全国中文核心期刊矿业类核心期刊《CAJ-cD规范》行优秀期刊面处的分子表观粘度几乎不变。5结论(1)通过管流法和旋转粘度计法相结合得出漩参考文献变模型,运用到 FLUENT软件提供的非牛顿流体模]赵宝峰对管路渐扩段局部阻力系数的探讨J东北块进行计算,能较好的模拟水煤浆在渐缩管中的流农业大学学报,1998,29(4):367-370动状况。[2]张庆,水煤浆管道输送模型[J].煤炭转化,1995,18(2)通过实验值与计算值的比较,验证技术模型的正确性。利用此模型进行数值试验,总结得出[3]岑可法,姚强,曹欣玉,等.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社适合工程应用的经验公式。1997,15(3)相同的渐缩角度下,局部损失系数随着雷[4]孔珑工程流体力学(M北京:中国电力出版社,诺数的增加而减小;相同的雷诺数下,局部损失系1992,12~104数随着渐缩角度的增大而减小。[5]卢平.水煤营输送特性和喷雾特性及其直接数值模拟(4)水煤浆流经渐缩管时,中心核心区的分子的研究[D].南京:东南大学,55表观粘度变小,流过渐缩管后;中心核心区的分子表观粘度变大。水煤浆在渐缩管整个流动过程中壁Study on Local Loss Coefficient of Coal-water Slurryin Converging Tube with Numerical ExperimentZHAO Guo-hua, CHEN Liang-yong, DUAN Yu-fengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Teclof the Ministry of EducationSoutheast University, Nanying 210096Abstract: The rheological model of the mass concentration of coal-water slurries of 57. 08% about Shenhua coal isgained by the experimental method of pipe flow and rotary viscometer. By use of the FLUENT program with somemodifications the coal-water slurry is simulated numerically on its converging tube flows, the predicted pressure wasmodel, with different velocity and converging angle numerical experiments of the coal-water slurry are carried out onits converging tube flows, local loss coefficient of the empirical formula with Reynolds number and converging angleis obtained. In terms of the same converging angle, relationship between local loss coefficient and Reynolds numberin different ratio between the length of converging tube and the diameter of the inlet of converging tube is gainedKeywords: coal-water slurry; converging tube; local loss coefficient; numerical experimentsM不4…信息检索“坪湖媒业尾矿水循环利用2007年7月18日,随着2台功率均为30kW的尾矿压力机的启动,江西丰城矿务局坪湖煤业公司结束∫50a来排放尾矿水的历史。长期以来,坪湖煤业公司的尾矿水一直是向洗煤厂外的农田排放,使得当地农村许多农田受到污染,企业每年为此支出许多赔偿金。今年,该矿班子把思想统一到发展企业循环经济,实现节能减排上*投入94万元,购进了2台尾矿压力机每天处理循环,可从尾矿水中产生3t煤炭,一个月可以为坪湖煤业H中国煤化工力机45mm一个处理后的尾矿水不是排入沉淀池内,而是直接进入尾矿力8示阳,实现了尾矿水不外排,减少了环境污染。水煤浆在渐缩管中局部阻力特性的数值试验