鍋爐制造No, 32007年7月BOILER MANUFACTURINGJul.2007文章編號:CN23-1249(2007)04-0028-05高濃度水煤漿直管內(nèi)流動的數(shù)值模擬趙國華,陳良勇,段鈺鋒(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇南京210096)摘要:通過管流法試驗得出質(zhì)量濃度為65.3%的兗州煤水煤漿為剪切增稠的冪流體。將試驗得出的流變模型和參數(shù)作為計算的依據(jù)運(yùn)用FENT軟件提供的非牛頓流體模塊對水煤漿在直管中的流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算得出水煤漿在管道中流動產(chǎn)生滑移的臨界速度并得到臨界速度與管徑的變化關(guān)系。提出滑移速度新的定義方法計算得出三個管徑中不同平均流速下的滑移速度均為0.02m/s,表明水煤漿的滑移速度與平均流速和管徑呈弱相關(guān)。通過對滑移速度進(jìn)行修正得出滑移修正后的單位長度壓差與實測值相吻合,表明計算模型是正確的。計算得到管道截面水煤漿的表觀粘度變化曲線,從管壁到管道中心先緩慢減少再急劇降低。關(guān)鍵詞:水煤漿;數(shù)值模擬;臨界速度;滑移速度;表觀粘度中圖分類號:TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ANumerical Simulations of High Concentrated CoalWater Slurry Flows in Straight PipelinesZhao Guohua, Chen Liangyong, Duan YufengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the ministryof Education, Southeast University, Nanjing 210096, ChinaAbstract: By the experimental method of pipe flow on theological features, the mass concentration of coalwater slurry of 65.3% is non-Newtonian shear thickening power fluid Based on the tested model ofrheology, the coal -water-slurry was simulated numerically on its straight pipe flows by use of theFLUNT program with some modifications. The predicted pressure drop per unit length was compared withthe experiments as a result that a critical velocity at which the wall slip begins was obtained and that therelationship between the critical velocity and the pipe diameter was correlated. a new definition of thelip velocity was proposed and its values were calculated being always 0.02 m/s for different flow ratesand different diameters, which verifies that the slip velocity is independent to its pipe mean velocity andthe pipe diameter. Subsequently, a modified slip velocity was introduced into the simulation process andan agreement result between the theoretical pressure drop and experimental one was overlapped. The sim-ulation results alsothat the superficial viscosity of coal water slurry increases sharply with in-crease of radius from the pipe center and gradually to the region of the wall areaKey words: coal water slurries; numerical simulation; critical velocity; slip velocity superficial ve-locity收稿日期:2007-05-16基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2004CB2701)。作者簡介:趙國華(1983-),勇,碩士,研究方向為潔凈煤技術(shù)第4期趙國華,等:高濃度水煤漿直管內(nèi)流動的數(shù)值模擬290引言論分析,得出了不同管徑中水煤漿流動產(chǎn)生滑移的臨界速度;提出了滑移速度新的定義方法得出水煤漿便于管道輸送、成本低、占地少、安全了三個管徑中水煤漿流動的滑移速度,并通過滑可靠,廣泛應(yīng)用于電力冶金建材等行業(yè),是一種移速度修正,使計算與實測結(jié)果吻合較好。通過新型低污染的煤代油燃料。近年來水煤漿也應(yīng)用計算得出管道截面水煤漿的表觀粘度在半徑方于高效整體煤氣化燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)(IGCC)向上的變化規(guī)律。高效和大型化發(fā)展,對水煤漿管道輸送的基礎(chǔ)性1水煤漿管道流動的控制方程發(fā)電技術(shù)中2。為使高濃度水煤漿管道輸送向研究日益重要和迫切。隨著液固兩相流計算理論控制流體流動規(guī)律的微分方程組可表示為變和方法以及計算機(jī)的快速發(fā)展,水煤漿流動過程量的通用形式的數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為試驗研究的重要補(bǔ)充,在實驗和理論研究中的作用日益凸現(xiàn)數(shù)值模擬a(pp)+do(pub)=di( Grad)+s(1)可以和傳統(tǒng)實驗研究方法相提并論,相互補(bǔ)式中φ為自變量,p為流體的密度,U為速度充。數(shù)值模擬一方面可以克服實驗周期長的矢量r為擴(kuò)散系數(shù)S為源項量r和S與中值缺點另一方面可以減少實驗耗資。數(shù)值模擬可有關(guān)。通用形式的微分方程主要由四項組成:非使難于進(jìn)行流動結(jié)構(gòu)和參數(shù)測量的水煤漿實現(xiàn)可穩(wěn)定項對流項擴(kuò)散項和源項。視化。數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合已經(jīng)成為研究當(dāng)φ=1時,通用微分方程變?yōu)橘|(zhì)量守恒方復(fù)雜兩項流問題的主要手段。目前運(yùn)用 FLUENT程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為:軟件對高濃度水煤漿在管道中輸送的數(shù)值模擬的研究還鮮有報導(dǎo)。本文將管流法試驗測試結(jié)果作為輸人參數(shù),對高濃度水煤漿管道輸送過程運(yùn)用(2)FLUENT軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,把模擬結(jié)果和試當(dāng)中=W,W,職時,通用微分方程變?yōu)閯域灲Y(jié)果進(jìn)行比較,從滑移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行理量控制方程在圓柱坐標(biāo)系中可表示為g(3)p\ ar畫,·aw Ww,+2(-1+如+1如n+電+)Waw. w dW aWa8+1/·+1·+)動量控制方程中出現(xiàn)二階雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)項,中各應(yīng)力分量的表送式如下:水煤漿的流變特性非常復(fù)雜,低濃度下的水煤漿T= 2B基本成牛頓流體性質(zhì),但是達(dá)到一定濃度的水煤漿又表現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì)。對于和時間無關(guān)的2B+非牛頓型流體的穩(wěn)定流動過程,在中等剪切速率下,水煤漿的流變特性符合非牛頓流體中的冪定T = 2B律流體模型,其剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系為:式中T為剪切應(yīng)力,Pa;k為稠度系數(shù),Pas;y為剪切速率,1/s;n為流動性系數(shù)。(在水煤漿流動的數(shù)值模擬計算中,圓柱坐標(biāo)(x)+2(12+)+2(2)鍋爐制造總第205期B= kA-1(14) Herschel- Bulkley模型(通過變形可以得到冪流以上控制方程組理論上構(gòu)成封閉條件可解,體模型)。差分格式采用一階迎風(fēng)格式,算法采但是由于方程組的復(fù)雜性,通常用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)用SMPE算法,收斂誤差控制在0.1%。值求解。方程(2)至方程(14)即本文水煤漿管道流動進(jìn)行數(shù)值求解的基本方程組。4計算結(jié)果與分析2水煤漿的實測流變特性4.1壓差分析水煤漿管道流動中輸送阻力最直接的表現(xiàn)是本文通過管流法運(yùn)用冪定律流體模型對濃度單位長度上的壓差。圖2至圖4是水煤漿在三個為65.3%的神化煤水煤漿分別在管徑為25管徑中不同流量下單位長度壓差的實驗值與計算mm、32mm和40mm的管道中進(jìn)行了流變特性值的比較。實驗值顯示單位長度壓差隨流量的增測量,所得結(jié)果示于圖1,實測得到的水煤漿流變加而增加,基本成線性變化;隨著管徑的增加,同方程如下:流量下的單位長度壓差減小。通過實驗測量值管徑d=25mm,Tr=0.43197y0請與計算值比較,流量較小時不同管徑單位長度上管徑d=32mm,r=0.46013yy0的壓差,兩者非常接近;流量較大時計算值大于測管徑d=40mm,ry=0.53242y0B量值相同單位長度壓差下對應(yīng)的流量計算值小r,為壁面剪切應(yīng)力,y為壁面剪切速度。于實驗值。H25mm230滑移修正后的計算值1500000000000010.00020.0003000040.00050.0006流量gh圖2管徑25mm單位長度壓差圖1剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系250003水煤漿的管道流動模擬實驗值白2000計算值由于水翠的表觀粘度較大賣驗中管內(nèi)的;m的x平均流速比較小,廣義雷諾數(shù)小于20,水煤漿管道流動可認(rèn)為是層流流動。本文對65.3%的100水媒漿運(yùn)用 FLUENT軟件里提供的非牛頓流體50模型進(jìn)行模擬計算。計算的基本假設(shè)為:0600000.00025000050000075000100(1)水煤漿是不可壓縮的流體流量gm3,s1(2)流動過程為定常的層流流動,且流線平行于管軸線;圖3管徑32mm單位長度壓姜(3)流場中某一點的剪切速率只與該點剪切圖2至圖4顯示的三個管徑中,當(dāng)水煤漿的應(yīng)力有關(guān)。流速超過某個值時,單位長度壓差計算值開始大網(wǎng)格采用四面體和六面體網(wǎng)格。入口邊界條于實驗值,這一現(xiàn)象是由于水煤漿在管道中流動件為:水煤漿的密度127823kg/m3,采用平均速時出現(xiàn)了滑移和減阻現(xiàn)象,導(dǎo)致理論計算的單位度進(jìn)口條件。模型采用非牛頓流體模型中的長度壓差大于實際流動時的壓差,因為理論計算4期趙國華,等:高濃度水煤漿直管內(nèi)流動的數(shù)值模擬31中沒有考慮滑移的存在和影響。管內(nèi)滑移流動產(chǎn)流體的大分子濃度降低,因此粘度也低。牛頓流生的實質(zhì)是由于固體顆粒向管中心主流區(qū)域遷移體在固體壁面流動時,壁面上的流體貼附于壁面所致在管內(nèi)壁面處形成了一層顆粒濃度很低、粘上而不會滑移但是非牛頓流體在一定條件下在度顯著下降而剪切應(yīng)變速率很大的薄層即滑移壁面處產(chǎn)生滑移層。水煤漿在實際流動中產(chǎn)生的壁面滑移減阻現(xiàn)水煤漿在管道中流動由于滑移產(chǎn)生減阻現(xiàn)象在本文計算中得到了驗證。象,其實質(zhì)是由于煤粉顆粒向中心主流區(qū)域遷移,致使管內(nèi)壁面處形成一層煤粉濃度很低,粘度顯實驗值著下降而剪切速率很大的薄層(稱為滑移滑移修正后的計算值層)9:?；茖訉φ麄€管道流動的影響通常用滑移速度來表示,認(rèn)為壁面處水煤漿有一個滑移速度。對三個管徑中得到的單位長度壓差計算值4000△P大于實驗值A(chǔ)P的各個點根據(jù)單位長度壓差的計算值A(chǔ)P得出計算平均流速u,由實驗測量的流量Q求出實際平均流速u。。定義滑移速00250005900075000度a,為計算的平均流速2與實驗測量平均流速n之差,即u=u“L灬°圖4管徑40mm單位長度壓差圖6顯示三個管徑中各個平均流速下對應(yīng)的滑移速度。各個管徑中的滑移速度絕大多數(shù)處于0.02m/s左右。說明水煤漿在管道中流動時,平060均流速超過臨界速度產(chǎn)生滑移,滑移速度基本不0.5變。通過滑移速度對入口邊界條件進(jìn)行修正,計算結(jié)果仍然顯示于圖2至圖4中。可見,通過滑移速度修正,單位長度壓差減小,使計算值與實驗045值吻合良好。0.0240.0270.0300033003600390.042管徑Dm0.15圖5臨界速度與管徑的關(guān)系4.2臨界速度霍國勝等認(rèn)為液體在流動過程中要考慮滑移的依據(jù)是流動速度是否超過臨界流速,若超合匙色釅△b過臨界流速,則出現(xiàn)滑移,出現(xiàn)滑移就能實現(xiàn)減002040.6081012阻通過對三個管徑下計算值與實驗值比較得出平均流速um,sl臨界流速與管徑的關(guān)系如圖5。當(dāng)管道中的流速圖6滑移速度與平均流速的關(guān)系超過臨界流速時,水煤漿在管道中產(chǎn)生滑移現(xiàn)象;4.5速度場當(dāng)管道中的流速低于臨界流速時,水煤漿在管道速度場可反映水煤漿在管道中的流動狀況。中不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。從圖5可以看出隨著管徑的圖7是三個管徑中水煤漿的無量綱速度分布橫增大,臨界速度減小,近似呈線性變化,即管徑越坐標(biāo)是無量綱半徑,為各點半徑與管道半徑的比大,越容易產(chǎn)生滑移。值,縱坐標(biāo)是無量綱速度,為不同半徑處的速度與4.3滑移速度管道平均速度的比值。理論上對于同一個濃度的Cohen和 Metzner認(rèn)為在非均勻應(yīng)力場中流水煤漿圖7中的三條線應(yīng)該完全重合,但是水煤動誘發(fā)大分子離開邊壁向中心漂移,使緊貼壁面漿的流變特性與管徑有關(guān)系,不同的管徑中水煤32·鍋爐制造總第205期漿的流變方程不一樣,即式(1)中的n不同導(dǎo)致2)通過比較單位長度壓差計算值與測量值,圖7中的三條曲線不完全重合。但由于流動系數(shù)得到了不同管徑流動中水煤漿的臨界流速;當(dāng)管n非常接近,圖7中的曲線重合度也非常好,表明道平均流速超過該臨界流速時,水煤漿在管道中數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生滑移和減阻現(xiàn)象。隨管徑的增加,臨界速度減小,即管徑越大越容易產(chǎn)生滑移減阻現(xiàn)象。口-25mm-323)通過數(shù)值模擬計算得出三個管徑下的水煤漿流動滑移速度均在0.02m/s左右。當(dāng)水煤漿在直管中流動的平均流速超過其臨界速度時即產(chǎn)生滑移,其滑移速度與平均流速和管徑呈弱相關(guān)4)水煤漿管內(nèi)流動中,表觀粘度在管中心最低,隨半徑增大,表觀粘度先急劇增大,然后再緩慢增加,至壁面處到達(dá)最大。參考文獻(xiàn)圖7不同管徑中水煤漿的無量綱速度分布[1]趙光宇竇文英水煤漿的管道輸送工程[]中國4.6表觀粘度煤炭,203,29(8):12-13圖8是計算得到的三個管徑中相同平均流速2]rui,H.etal. 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