第39卷第3期2008年5月BOILER TECHNOLOGYMay.,2008文章編號(hào):CN31-1508(2008)03-0001-04直管內(nèi)水煤漿流動(dòng)阻力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)趙國(guó)華,陳良勇,劉猛,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,江蘇南京210096)關(guān)鍵詞:水煤漿;非牛頓流體模型;阻力系數(shù);數(shù)值實(shí)驗(yàn)摘要:運(yùn)用非牛頓流體模型對(duì)水煤漿流經(jīng)直管進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)壓差實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性?；谡_的計(jì)算模型,進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究沿程阻力系數(shù)?？偨Y(jié)得出水煤漿流經(jīng)直管時(shí)沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)的分析,得出水煤漿流動(dòng)的核心區(qū)。中圖分類(lèi)號(hào):TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A沿程阻力系數(shù)定義1前(1)水煤漿管道輸送比其它運(yùn)輸方式如卡車(chē)或火車(chē)具有明顯的優(yōu)勢(shì),同樣具有經(jīng)濟(jì)性。管道輸送是可靠的不受惡劣氣候如暴風(fēng)雪或低溫的影式中:△p—測(cè)量段壓差,Pa;密度,kg/m2;響,并且由于一定程度的自動(dòng)操作,人工勞動(dòng)相V—流速,m/s;對(duì)減少,也開(kāi)辟了輸送能源新技術(shù)的開(kāi)端,那就d一直徑,m;是遠(yuǎn)距離高容量煤漿管道輸送。水煤漿在直管中輸送,存在沿程阻力損失,對(duì)水煤漿流經(jīng)直管L—測(cè)量長(zhǎng)度,m。為了研究沿程阻力系數(shù)對(duì)非牛頓流體在圓時(shí)沿程阻力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究具有重要的意義管中的流體力學(xué)特性,許多研究者2針對(duì)不同本文采用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法相結(jié)合,得出水的研究對(duì)象和研究目的,提出不同的雷諾數(shù)定煤漿的流變方程,運(yùn)用非牛頓流體模型對(duì)濃度分義,本文采用基于壁面表觀(guān)粘度的雷諾數(shù)別為57.08%和59.10%的神華水煤漿進(jìn)行數(shù)3n+1、8值模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較,驗(yàn)證計(jì)算Re,=_evd模型的正確性;基于正確的計(jì)算模型對(duì)管徑分別式中P—密度kg/m;為25mm32mm、40mm和50mm的直管進(jìn)行V—流速,m/s;數(shù)值實(shí)驗(yàn),研究沿程阻力系數(shù)。d—直徑,m;2沿程阻力系數(shù)v—表現(xiàn)粘度流變指數(shù)。1933年尼古拉茲采對(duì)一系列管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出了管道沿程阻力系數(shù)變化的一般規(guī)律:3水煤漿的流變方程(1)雷諾數(shù)Re<2000時(shí),水流為層流,λ與運(yùn)用管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法得出2個(gè)濃度Re呈倒數(shù)關(guān)系,且A=64/Re下水煤漿的流變方程:(2)20004000時(shí),水流處于湍流狀式中國(guó)煤化工態(tài),受到的影響因素較多。CNMHG收稿日期:2007-07-03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)日(2004CB2l7701)作者簡(jiǎn)介:趙國(guó)華(1983-),男,東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事潔凈煤技術(shù)研究鍋爐技術(shù)第39卷計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)壓差與計(jì)算壓差對(duì)比如下圖:4.1控制方程水煤漿在管內(nèi)流動(dòng)是一個(gè)等溫過(guò)程,不考慮管徑25mm質(zhì)量濃度溫度變化,直角坐標(biāo)系中定常條件、不可壓縮流實(shí)驗(yàn)值體流動(dòng)通用形式方程為:t ot pg)+div(pup)=div(rgradp)+S(3)中:卓—自變量;流體的密度U—速度矢量;r—擴(kuò)散系數(shù);流速/m-1s—源項(xiàng)量廠(chǎng)和S與ψ值有關(guān)圖1管徑為25mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比當(dāng)∮=1時(shí)通用微分方程變?yōu)橘|(zhì)量守恒方程;當(dāng)=L、亂、時(shí)分別為坐標(biāo)系3個(gè)方向上的動(dòng)管徑32mm質(zhì)囊濃度實(shí)驗(yàn)值量方程。M、42、為坐標(biāo)系3個(gè)方向上的速度。4.2非牛頓流體運(yùn)動(dòng)方程描述非牛頓流體的流變方程,建立應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系,表達(dá)式為:r2=2+(g÷)式中:y—剪切速率,1/s;r——剪切應(yīng)力,Pa;3.75流速/m1—屈服剪切應(yīng)力,Pa圖2管徑為32mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比m、g、C—常系數(shù)(5)管徑40m實(shí)驗(yàn)值0計(jì)算值au,⊥aur(8)rx=rn=Bu4⊥a(9)au, au淀速加y24圖3管徑為40mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)++A(11)A-2y+2y+22y++2y+實(shí)驗(yàn)度5濃度管徑50mm質(zhì)量375}0-計(jì)算)2+rx、r、r為坐標(biāo)系3個(gè)方向上的法向應(yīng)力rx、rs、r、ra、r為坐標(biāo)系3個(gè)方向上的切中國(guó)煤化工向應(yīng)力CNMHG5數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比對(duì)2個(gè)濃度的水煤漿運(yùn)用非牛頓流體模塊圖4管徑為50mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比趙國(guó)華等直管內(nèi)水蝶漿流動(dòng)阻力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)10管徑25mm質(zhì)量濃度在20%以?xún)?nèi),從而運(yùn)用非牛頓流體模型中的一實(shí)驗(yàn)值Herschel- Bulkley模型是正確的,運(yùn)用此模型進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn),探討沿程阻力損失系數(shù)與流速、管徑的關(guān)系是可靠、有工程應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值的6數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.1沿程阻力系數(shù)對(duì)管徑為25mm、32mm、40mm和50mm在各個(gè)流速下進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn),探討沿程阻力系數(shù)圖5管徑為25mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比與雷諾數(shù)的關(guān)系。圖9和圖10是2個(gè)濃度下各個(gè)管徑中的沿管徑32mm質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)值59.10%程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系,并且與牛頓流體中沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系相比較。雷諾數(shù)采用基于表觀(guān)粘度的雷諾數(shù),從圖中可以看出,沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小,并趨于相同;隨煤漿的濃度增加而增加;相同雷諾數(shù)下,水煤漿的沿程阻力系數(shù)比牛頓流體的沿程阻力系數(shù)大,隨雷諾數(shù)的增加,水煤漿沿程阻力系數(shù)與流速/m-1牛頓流體的沿程阻力系數(shù)的差值越小。圖6管徑為32mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度額12牛頓流體0400800120016002000240000051015202.530雷諾數(shù)流速m-4圖9沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖7管徑為40mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比都1240080011600200020030.6091.21.518雷諾數(shù)流速/m圖10沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖8管徑為50mm中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比中國(guó)煤化工力系數(shù)與雷諾從圖1至圖8中顯示單位長(zhǎng)度壓差隨流速的數(shù)的關(guān)HCNMHG增加而增加,基本呈線(xiàn)性變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)濃度57.08%時(shí):A=100/Re142算值比較,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)接近,相對(duì)誤差濃度59.10%時(shí):A=100/Re15鍋爐技術(shù)第39卷經(jīng)驗(yàn)公式的形式與牛頓流體的沿程阻力系徑中的無(wú)量綱速度分布應(yīng)該是完全重合的,從圖數(shù)公式A=64/Re相比還是相當(dāng)接近的。l1圖122個(gè)圖可以看出無(wú)量綱速度分布重合度6.2速度分布非常好。速度從管壁到管中心逐漸增加,速度梯速度分布是反映水煤漿在管道中的流動(dòng)狀度越來(lái)越小,中間產(chǎn)生一個(gè)流動(dòng)核心區(qū),從圖中況。圖11和圖12是2個(gè)濃度下水煤漿在各個(gè)管可以大概看出核心區(qū)為之間徑中的無(wú)量綱速度分布,橫坐標(biāo)是無(wú)量綱半徑,為各點(diǎn)半徑與管道半徑的比值縱坐標(biāo)是無(wú)量綱7結(jié)論速度,為不同半徑處的速度與管道平均速度的比運(yùn)用非牛頓流體模型結(jié)合進(jìn)口條件運(yùn)用外值。理論上對(duì)于同一個(gè)濃度的水煤漿在不同管接函數(shù)處理,對(duì)2個(gè)濃度的水煤漿流經(jīng)4個(gè)管徑的直管進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,通過(guò)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的壓差比較,驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性?；谡_的計(jì)算模型對(duì)水煤漿流經(jīng)直管進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn),沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小,并趨于相同;隨煤漿的濃度增加而增加;相同雷諾數(shù)下,水煤漿的沿程阻力系數(shù)比牛頓流體的沿程阻力系數(shù)大,32隨雷諾數(shù)的增加,水煤漿沿程阻力系數(shù)與牛頓流體的沿程阻力系數(shù)的差值越小?？偨Y(jié)得出水煤漿流經(jīng)直管時(shí)沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,并與牛圖11濃度57.08%無(wú)量綱速度分布頓流體流經(jīng)直管時(shí)沿程阻力系數(shù)相比較,形式比較接近。水煤漿在直管流動(dòng)過(guò)程中,產(chǎn)生的流動(dòng)核心區(qū)大概為一3R-3R之間參考文獻(xiàn)[]孔現(xiàn).工程流體力學(xué)[M門(mén).北京;中國(guó)電力出版社,199225[2] 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By the study on velocity fieldcore region of flow in straight tube was given out