第23卷第4期熱力工程Vol 23, No 42008年7月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJul.,2008文章編號(hào):1001-300(2008)04-045-04水煤漿流經(jīng)小曲率半徑彎管的阻力特性研究劉猛,陳良勇,段鈺鋒(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096)摘要:在自制試驗(yàn)臺(tái)上研究了水煤漿流經(jīng)小曲率半徑9式4。 Singh等人采用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算了非牛頓流體流經(jīng)水平彎管的局部阻力特性分析了不同的曲率半徑R對(duì)彎較大曲率半徑彎管的軸線壓力梯度(S。但只有少數(shù)管的局部壓力損失、壓力損失系數(shù)以及摩擦阻力損失之比的人對(duì)非牛頓流體流經(jīng)小曲率半徑(RR<10)的9形響。結(jié)果表明:隨著雷諾數(shù)R的增加,彎管的局部壓力損水平彎管的局部阻力特性進(jìn)行過(guò)研究,Mar采用,彎管的局部壓力損失由不規(guī)則流動(dòng)損失與彎管軸線加長(zhǎng)壓降比AP/△Pn(AP為彎管段的壓降,AP為與彎所產(chǎn)生的沿程阻力決定。彎管曲率半徑越大,臨界雷諾數(shù)就管軸線長(zhǎng)度相等的沿程直管段上的壓力損失)與流量越大。彎管摩擦阻力損失之比隨著Dean數(shù)的增加先降,的關(guān)系研究了多種非牛頓流體流經(jīng)彎管(R。R=4)升。RL/R為40的彎管的局部壓力損失、壓力損失系數(shù)以的局部阻力特性。Mam研究了灰水混合物(剪切變及摩擦阻力損失之比均最小。稠)流經(jīng)彎管(R。/R=2)的局部阻力特性7。但是他關(guān)鍵詞:水煤漿;曲率半徑;壓力損失系數(shù);臨界雷諾數(shù)們都沒(méi)有考慮到曲率半徑的變化對(duì)彎管局部阻力特中圖分類(lèi)號(hào):0373文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A性的影響,而本文主要研究了高粘度的水煤漿流經(jīng)具引言有小曲率半徑的90水平彎管時(shí),曲率半徑的變化對(duì)彎管局部阻力特性的影響。水煤漿是一種液固兩相的非牛頓流體,也是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿剂?。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,水煤漿1理論方法要被大量用于工業(yè)生產(chǎn),其中必然會(huì)涉及到水煤漿的輸送問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)水煤漿的技術(shù)研究主要集中目前,對(duì)于水平彎管局部壓力損失有兩種定義:種是對(duì)彎管自身幾何長(zhǎng)度內(nèi)的壓力損失而言;另在制漿、霧化燃燒、流變特性、觸變性和穩(wěn)定性等方面,但在管道輸送方面尚有許多問(wèn)題需要解決,如管種是對(duì)彎管所影響管段內(nèi)的全部損失(局部加沿程損失)而言。本研究對(duì)彎管的局部壓力損失采用道泵的特性、管道阻力的預(yù)測(cè)、管道局部裝置流動(dòng)阻力的計(jì)算等等,特別對(duì)局部裝置中的流動(dòng)研究甚少,第二種定義。而國(guó)外學(xué)者對(duì)非牛頓流體流經(jīng)局部裝置的阻力特性做了很多研究, Turian引用局部阻力系數(shù)得出了非牛頓流體流經(jīng)突擴(kuò)、突縮、彎管等局部管件的阻力壓降ls.Ch.Ecma引用了無(wú)量綱的阻力系數(shù)(2),研究了湍流狀態(tài)下的非牛頓流體流經(jīng)各種局部管件(突擴(kuò)、突縮、球閥、9彎管和門(mén)閥等)的阻力特性,△P并且得出了計(jì)算各種局部管件阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。 Tarun同樣也獲得了計(jì)算非牛頓流體流經(jīng)各種小直徑局部管件壓力損失的經(jīng)驗(yàn)式。目前對(duì)非牛頓流體流經(jīng)彎管的局部阻力特性的研究主要集中在具有較大曲率半徑Ra(R/R>10,其中R為圓管半徑的水平彎管上,Ngm列舉了許多圖1彎管的壓力分布工程上用于研究較大曲率半徑彎管阻力特性的經(jīng)驗(yàn)收稿日期:2007-08-02;修訂日期:2007-08-30基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研憲發(fā)展計(jì)劃(973)基金資助項(xiàng)目(2004cB21701)能動(dòng)力工如圖1所示,彎管的壓力損失主要是由兩個(gè)部=20.58816+0.16273y,由于試驗(yàn)管道中的流速較分組成:一部分是彎管的局部壓力損失 AP,另一低,水煤漿的表觀粘度較大,所以可以認(rèn)為管內(nèi)流動(dòng)部分是彎管段前后直管段的壓力損失△P,則彎管屬于層流狀態(tài)。的總壓力損失△P表示為2.1曲率半徑對(duì)彎管的局部壓力損失的影響圖2給出了不同曲率半徑彎管的局部壓力損失彎管段前后直管段的壓降采用下式來(lái)計(jì)算:與雷諾數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出,在較小雷諾數(shù)AP=AP+△Ps(Re<75)下,水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓力損失較小(LSI+Le).,gu2(2)且出現(xiàn)波動(dòng),其后隨著雷諾數(shù)的增大,局部壓力損失迅速地增加。式中:L、La彎管前后直管段的長(zhǎng)度;管內(nèi)的平均流速;p、D一水煤漿密度和圓管直徑,對(duì)于阻力系數(shù)λ我們采用 Darey- Weisbach摩擦阻力系數(shù):R2/B=30a=64/Re因此彎管的局部壓力損失△Pw為:bend= APlot-AP=△P(L,l+ Le)DOliveira等人用壓力損失系數(shù)研究了黏彈性流體層流狀態(tài)下流經(jīng)突擴(kuò)管時(shí)的局部阻力特性8。故可引用壓力損失系數(shù)來(lái)研究水煤漿流經(jīng)彎管的諾數(shù)Re局部阻力特性,即=△Pw/)px2圖2彎管的局部壓力損失與雷諾數(shù)的關(guān)系White和 Mishrd-Gupla分別提出了用于計(jì)算較彎管的局部壓力損失之所以波動(dòng),主要是因?yàn)榇笄拾霃?R』R>12)彎管的摩擦阻力損失之比水煤漿是一種具有觸變性的非牛頓流體,在受到某與De關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式9-0:剪切之后內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,粘度降低,如果停止J=1-{1-(16)0as121(6)剪切其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又會(huì)緩慢恢復(fù),粘度又會(huì)增大,從JG=1+0.033ogDe)+0(7)而導(dǎo)致再次啟動(dòng)時(shí)壓力迅速增大。當(dāng)水煤漿內(nèi)部結(jié)其中構(gòu)破壞與恢復(fù)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),輸送阻力也就穩(wěn)定√R/R。下來(lái)張中民認(rèn)為水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓力損失隨∫彎管段的摩擦阻力損失:著曲率半徑R。的增大而增加l但在本次實(shí)驗(yàn)(9)中當(dāng)?shù)阎Z數(shù)較大(Re>100)時(shí),對(duì)于小曲率半徑彎式中:一彎管的彎角。管的局部壓力損失并不符合上述趨勢(shì)。在同一雷諾彎管段前后穩(wěn)定段的摩擦阻力損失數(shù)下,R/R=4.0的彎管局部壓力損失為最小,Rfp=(10)R=12的彎管局部壓力損失最大,但是RR=3.0的彎管局部壓力損失卻比R/R=4.0的彎管大。究其原因,主要是水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓降由兩2實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果分析個(gè)因素決定:不規(guī)則流動(dòng)的影響和彎管軸線加長(zhǎng)所帶來(lái)的沿程阻力的影響。對(duì)于水煤漿這種高粘度流在東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電和燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)體,在彎管內(nèi)更趨于規(guī)則流動(dòng),但是對(duì)于曲率半徑較實(shí)驗(yàn)室的水煤漿輸送試驗(yàn)裝置上對(duì)不同曲率半徑的小的彎管,不規(guī)則流動(dòng)因素的影響還是大于彎管軸90水平彎管(直徑D=50mm)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用線加長(zhǎng)所造成的沿程阻力的影響。Mam在研究灰神華煤,濃度為56.,7%,實(shí)驗(yàn)前已通過(guò)直管確定了水混合物流經(jīng)小曲率半徑彎管的局部阻力特性時(shí),第4期劉猛,等:水煤漿流經(jīng)小曲率半徑彎管的阻力特性研究427成的沿程損失2。隨著曲率半徑的逐漸增大彎管所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)叫做轉(zhuǎn)折雷諾數(shù)。從圖中可以得到軸線加長(zhǎng)所造成的沿程阻力的影響將大于不規(guī)則流R/R為80和12的彎管轉(zhuǎn)折雷諾數(shù)大約為195,而R/R為3.0和4.0的彎管轉(zhuǎn)折雷諾數(shù)卻比RR22曲率半徑對(duì)彎管的壓力損失系數(shù)的影響為8.0和12的彎管小,主要原因可能是隨著彎管曲由式(5)計(jì)算出水煤漿流經(jīng)彎管的壓力損失系率半徑的增加,高粘度的水煤漿在彎管內(nèi)不規(guī)則流數(shù),從而可以獲得壓力損失系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。動(dòng)的程度減少,所以必須在較大的雷諾數(shù)下才會(huì)出圖3給出了不同曲率半徑彎管的壓力損失系數(shù)與雷現(xiàn)壓力損失系數(shù)的轉(zhuǎn)變諾數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出,彎管的壓力損失系Mam采用下式對(duì)灰水混合物流經(jīng)彎管的壓力數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而降低,然后趨于穩(wěn)定。但從損失系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系進(jìn)行∫擬合,結(jié)果比較對(duì)圖中(圖3的局部放大)可以發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的理想增加,R/R為3.0和4.0的彎管壓力損失系數(shù)是逐f=K, Rez(11)漸增加的,而RR為8.0和12的彎管壓力損失系式中:K1、K2擬合待定系數(shù)數(shù)是先降后升,且當(dāng)R<195時(shí),R/R為8.0和12運(yùn)用式(11)對(duì)圖3進(jìn)行擬合時(shí),發(fā)現(xiàn)在較小雷的彎管壓力損失系數(shù)要高于R/R為3.0和4.0的諾數(shù)(Re<20)·情況下出現(xiàn)了較大的偏差。為了工彎管。Mam認(rèn)為當(dāng)灰水混合物流經(jīng)彎管時(shí),彎管的程運(yùn)用方便,采用下式對(duì)圖3進(jìn)行擬合,結(jié)果如表1壓力損失系數(shù)隨著雷諾數(shù)(Re>500)的增加而增所示加2。E=K1+k2Re+k,Re(12)表1壓力損失系數(shù)與雷諾數(shù)擬合的結(jié)果RR12K11.156840.679123.16433R/R=80R=l2k33.5194E52.21028E56.17538E55.6361E-5利用表1中的數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)彎管的壓力損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí),誤差均小于10%,屬于工程允許誤差s0100202范圍之內(nèi)。雷諾數(shù)Re23曲率半徑對(duì)彎管摩擦阻力損失之比(f/,)的影響■R/B=300.5.o笛諾數(shù)Re圖3彎管的壓力損失系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖4彎管的摩擦阻力損失比與D的關(guān)系通過(guò)對(duì)圖3的分析,可以認(rèn)為水煤漿流經(jīng)彎管利用式(9)和式(10)可以分別求出水煤漿流經(jīng)的壓力損失系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加先減少然后逐漸彎管的摩擦阻力損失f和fp,從而獲得彎管摩擦阻壓力損失減少到增加的轉(zhuǎn)折428·熱能動(dòng)力工程2008年徑彎管的摩擦阻力損失之比與D的關(guān)系。由圖所(3)彎管的壓力損失系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加示,隨著De的增加,彎管摩擦阻力損失之比先降低先降低后增加。隨著曲率半徑的增加,臨界雷諾數(shù)后逐漸增加。在20312OLIVEIRA P J. Asymmetric flows of viscoelastic fluids in symmetri20的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果為plannar expansion geometries[ J]. J Non-Newtonian Fluid Mech, 2003K1=0.30087、K2=0.000021、k3=14.30086114:33-63把擬合參數(shù)帶入式(14)從而可以獲得水煤漿流經(jīng)小[9] WHITE R G, FISHER M J, BERRY J F W. Test facilities technique曲率半徑彎管的摩擦阻力損失之比與D關(guān)系的經(jīng)and instrumentation[ J]. Joumal of Sound and Vibration, 1973, 28 (3)驗(yàn)式,但值得注意的是此經(jīng)驗(yàn)式有一定的適用范圍619-622R/R≤12,20