弯管内水煤浆流动阻力的数值实验研究

第35卷第10期束電力Vol 35 No 102007年10月East china Electric PowelIOT弯管内水煤浆流动阻力的数值实验研究赵国华,陈良勇,段钰锋(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室江苏南京21006)摘要;结合管流法和旋转粘度计法对神华煤水煤浆进行了流变特性测量,得出符合屈服一幂律流体模型的水煤浆流变方程。利用CFD软件平台建立了水煤浆90°弯管的流动模型通过计算值与实验值的比较验证了计算模型的正确性。运用正确的计算模型对水煤浆流经弯管的局部阻力系数进行了多变量数值模拟得出了弯管工程设计中最佳弯径比与流速的关系,总结出适合工程应用的水煤浆流经较小弯径比时的局部阻力系数的经验公式。且弯管内最大速度点随弯径比的增大往弯管外侧移动;随弯径比或弯曲角度的增大,弯管内的速度场趋于一致。关键词:水煤浆;弯管流动;数值试验;阻力损失系数基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB217701)作者简介:赵国华(1983-),男,硕士研究生,研究方向为洁净煤发电及燃烧技术。中图分类号:TQ53文献标识码:A文章编号: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水煤浆管道输送是发展大规模高效气流床煤出非牛顿流体流经弯管的局部阻力系数公式。对气化技术的基础性研究,并应用于新型高效的洁具有非牛顿流体性质的水煤浆运用数值试验的方净煤发电技术ICCC中。弯曲管道是水煤浆管道法就流经小弯径比的弯管局部阻力系数进行研究输送过程中常见的部件。当流体流过弯管时,由尚未见报道于向心力及壁面压力梯度的作用,使得流体的运水煤浆是一种非牛顿流体,流经弯管时的局动状态变得极为复杂1),不仅在同一横截面上部阻力系数与牛顿流体不同,研究中发现影响水存在二次流动而且在弯头的进出口还存在流体煤浆流经弯管的阻力系数的因素很多,包含水煤脱离壁面的现象。 Hwang and Pal3)、 Deshpande浆的流变模型弯管的几何形状和浆体的流速等and Barigou“对非牛顿流体的突扩突缩管件进行结合儿““流经弯管进行中国煤化了实验研究, Jure Marm1运用二次方程流变模型数值对剪切变稠的高浓度灰水混合物流经90°弯管进验周CNMHG究可以减少实行过数值模拟, Sing and Mishra6在大弯径比下提本文从实验出发,总结出关于弯径比和雷诺赵国华等弯管内水煤浆流动阻力的数值实验研究7(总904)数的经验公式为工业设计和设备选型提供依据。-P+2B(4)1试验研究+2B11水煤浆流变方程的确定水煤浆的流变模型很多,影响因素也很复杂,T÷T=对水煤浆在管道内的恒定剪切流动通过管流法测量其压降和流量,可推算剪切应力与应变速度rn=B(咝的关系,从而确定流变方程。管流法一般可测量中、高剪切速率下的水煤浆流变方程;旋转粘度计BC法测量低剪切速率下的水煤浆流变方程。在25℃恒温下,对质量浓度为57.08%的神华水煤浆运用管流法和旋转粘度计法相结合的方法,测B=[(9)出水煤浆在较大范围内的剪切应力与剪切速率的关系,运用屈服一幂律模型得出水煤浆的真实流A=[2()2+2()2+2(9+)2+变方程为:r=845+(0.068·y)1(10)1.2实验弯管试验弯管管径为50mm,R/R分别取3、8、T,T坐标系3个方向上的切向应么式中r、Tn、T。坐标系3个方向上的法向应力10,6为弯管部分对应的圆心角R/R为弯管半径与管道半径的比值(弯径比),是衡量局部管件3网格划分和数值计算条件阻力损失系数的一个重要参数。试验分别测试了计算中网格采用四面体和六面体非结构网不同工况下水煤浆流经弯管时上、下游的压差。格,节点距离在2~4mm之间。人口边界条件:水煤浆的密度为1198计算模型kg/m3,采用平均速度进口条件。由于水煤浆在2.1控制方程弯管中平均流速比较小,表观粘度较大,Re<水煤浆在管内的流动是一个等温过程,不考2200,流动可认为是层流流动。差分格式采用虑温度变化,直角坐标系中定常条件、不可压缩流阶迎风格式,算法采用 SIMPLE算法收敛误差控体流动通用形式方程为制在0.1%。a(p)+divp)=dv(rga)+S(1)4数值计算结果与试验比较式中φ为自变量,p为流体的密度,U为速度矢量,厂为扩散系数,S为源项,量厂与S中值有关。当中=1时,通测量中只能对宏观参数进行测量(例如弯管上下坐标系3个方向上的动量方程。乱、,、叫,为坐标系3个游的压差)。受测量水平的限制对速度场和表方向上的速度。观粘度场难以测量。在相同试验段计算出试验管22非牛顿流体运动方程件弯管上、下游的压差,并与实测值进行对比描述非牛顿流体的流变方程,应力与剪切速图1、图2和图3是不同弯径比下计算的弯率和流体速度的关系表达式为:管上、下游压差与实测值的对比。可以看出计算式中y剪切速率剪切应力一命(2)值与实验值的结果比较接近相对误差小于=T8+(·y)30%,说明运用非牛顿流体模型建立的数学模型服剪切进行应力;mψ、c—常系数。中国煤化工进行数值试验,探讨CNMHG何形状等的关+2B(3)系为工程应用提供可以借鉴参考的设计参数。8(总905)束電力2007,35(10)RDl.5一试验值f=218一计算值式中p1—人口端的压力,Pa;P2出口端的压力,Paip——水煤浆的密度,kg/m3;-—流速。5.2雷诺数在非牛顿流体流动中,雷诺数的定义很多,根据水煤浆的性质运用基于壁面表观粘度的雷诺数速度s比较合适,定义为图1弯径比为1.5时试验测量压差与计算值比较式中p—水煤浆的密度,kg/m3;流速,m/s;R/D=1.5试验值d—管径,m;n—表观粘度,Pa·s计算值53数值实验工况影响水煤浆流经弯管的局部阻力系数的因素很多,例如弯管的几何形状、水煤浆的流变特性和浆体的流速等。本文主要考虑弯管的几何形状和浆体的流速对弯管的阻力系数的影响。对管径为50mm的弯管,弯径比按照工程上常见的标准,取弯径比为1.2、1.6、23、4、6、8、10、12时,进口流图2夸径比为4时试验测量压差与计算值比较速分别为0.25、0.50.75、1、1.25、1.5、1.75、2m/s进行模拟计算,研究局部阻力系数与弯径比、RD6流速的关系54数值实验结果与分析54.1局部阻力系数根据 Mishra- Gupta对大弯径比下总结出的非牛顿流体流经弯管与牛顿流体流经弯管局部阻力系数的关系,运用此方法对小弯径比下水煤浆流经90弯管的局部阻力系数进行研究,其关系如速度sg图4。由图4可见,雷诺数越大,水煤浆的局部阻力系数越偏离牛顿流体的局部阻力系数,且随着图3弯径比为6时试验测量压差与计算值比较弯径比的增大,变化明显。5弯管内水煤浆流动的数值实验研究51局部阻力系数对非牛顿流体流经弯径比不同的弯管局部阻力系数研究, Mishra-Gupta对弯径比大于12的管道进行了研究提出了经验公式=1+0.033( log De)(11)式中f——流经弯管的局部阻力系数f=16/Re;DeaDeM凵中国煤化工工程上,局部损失系数与流速的关系通常通系数过局部损失系数与雷诺数的关系表现出来。局部CNMH流经小弯径比损失系数定义为:时,局部损失系数与弯径比及雷诺数的关系如下。赵国华,等弯管内水煤浆流动阻力的数值实驢研究9(总906)--1.18+6.84P+(0.53-0.07P)( logUe)6式中f—流经弯管的局部阻力系数f,=16/Be;De=√2P;P=2R/R。54.2最佳弯径比最佳弯径比是相同流速下水煤浆流经弯管产生的局部阻力系数最小时的弯径比。对弯径比从12~12各个流速下进行数值实验得出各个流速下产生最小局部阻力系数的弯径比。最佳弯径图6=45°截面速度分布比出现在弯径比1.2~2.4之间,在弯径比1.8附近比较集中,实际工程90°弯管设计时弯径比取1.8左右较为合适。最佳弯径比随水煤浆流速的增加而增加,基本成线性变化5.4.3速度分布沿着管轴线方向在弯曲不同部位截取面,图5、图6和图7分别是=30°45°60°面无量纲速度随管半径的变化分布图。由于离心力的作用最大的速度不像流体流经直管一样出现在管径的中心处。弯径比为12和2时,弯曲管道中,内侧图7θ=60°截面速度分布的速度高,外侧速度低,最大速度出现在靠近弯管生的局部阻力系数进行研究,总结出适合工程应内侧。随着水煤浆流经管道截面(6分别为30的经验公式。(3)对弯管截面的速度场分析45°609时),最大速度的偏离更加明显,速度场由速度场随截面夹角的增大趋于集中;最大速度点分散逐渐趋于集中化最后几乎重合。随着弯径随弯径比的增加往弯管外侧移动,最终趋于相同。比的增大,最大速度往弯曲管道外侧偏移,在靠近参考文献弯曲管道外侧处产生很大的速度梯度,弯曲管径外侧的剪切速率比预期的大,而内侧比预期的小。] Chisholm D. 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