高浓度水煤浆直管内流动的数值模拟

锅炉制造No, 32007年7月BOILER MANUFACTURINGJul.2007文章编号:CN23-1249(2007)04-0028-05高浓度水煤浆直管内流动的数值模拟赵国华,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,江苏南京210096)摘要:通过管流法试验得出质量浓度为65.3%的兖州煤水煤浆为剪切增稠的幂流体。将试验得出的流变模型和参数作为计算的依据运用FENT软件提供的非牛顿流体模块对水煤浆在直管中的流动进行了数值模拟。计算得出水煤浆在管道中流动产生滑移的临界速度并得到临界速度与管径的变化关系。提出滑移速度新的定义方法计算得出三个管径中不同平均流速下的滑移速度均为0.02m/s,表明水煤浆的滑移速度与平均流速和管径呈弱相关。通过对滑移速度进行修正得出滑移修正后的单位长度压差与实测值相吻合,表明计算模型是正确的。计算得到管道截面水煤浆的表观粘度变化曲线,从管壁到管道中心先缓慢减少再急剧降低。关键词:水煤浆;数值模拟;临界速度;滑移速度;表观粘度中图分类号:TQ53文献标识码: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基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB2701)。作者简介:赵国华(1983-),勇,硕士,研究方向为洁净煤技术第4期赵国华,等:高浓度水煤浆直管内流动的数值模拟290引言论分析,得出了不同管径中水煤浆流动产生滑移的临界速度;提出了滑移速度新的定义方法得出水煤浆便于管道输送、成本低、占地少、安全了三个管径中水煤浆流动的滑移速度,并通过滑可靠,广泛应用于电力冶金建材等行业,是一种移速度修正,使计算与实测结果吻合较好。通过新型低污染的煤代油燃料。近年来水煤浆也应用计算得出管道截面水煤浆的表观粘度在半径方于高效整体煤气化燃气一蒸汽联合循环(IGCC)向上的变化规律。高效和大型化发展,对水煤浆管道输送的基础性1水煤浆管道流动的控制方程发电技术中2。为使高浓度水煤浆管道输送向研究日益重要和迫切。随着液固两相流计算理论控制流体流动规律的微分方程组可表示为变和方法以及计算机的快速发展,水煤浆流动过程量的通用形式的数值模拟研究已经成为试验研究的重要补充,在实验和理论研究中的作用日益凸现数值模拟a(pp)+do(pub)=di( Grad)+s(1)可以和传统实验研究方法相提并论,相互补式中φ为自变量,p为流体的密度,U为速度充。数值模拟一方面可以克服实验周期长的矢量r为扩散系数S为源项量r和S与中值缺点另一方面可以减少实验耗资。数值模拟可有关。通用形式的微分方程主要由四项组成:非使难于进行流动结构和参数测量的水煤浆实现可稳定项对流项扩散项和源项。视化。数值模拟和实验研究相结合已经成为研究当φ=1时,通用微分方程变为质量守恒方复杂两项流问题的主要手段。目前运用 FLUENT程在圆柱坐标系中可表示为:软件对高浓度水煤浆在管道中输送的数值模拟的研究还鲜有报导。本文将管流法试验测试结果作为输人参数,对高浓度水煤浆管道输送过程运用(2)FLUENT软件进行了数值模拟,把模拟结果和试当中=W,W,职时,通用微分方程变为动验结果进行比较,从滑移现象产生的原因进行理量控制方程在圆柱坐标系中可表示为g(3)p\ ar画,·aw Ww,+2(-1+如+1如n+电+)Waw. w dW aWa8+1/·+1·+)动量控制方程中出现二阶雷诺应力关联项,中各应力分量的表送式如下:水煤浆的流变特性非常复杂,低浓度下的水煤浆T= 2B基本成牛顿流体性质,但是达到一定浓度的水煤浆又表现出非牛顿流体性质。对于和时间无关的2B+非牛顿型流体的稳定流动过程,在中等剪切速率下,水煤浆的流变特性符合非牛顿流体中的幂定T = 2B律流体模型,其剪切速率与剪切应力的关系为:式中T为剪切应力,Pa;k为稠度系数,Pas;y为剪切速率,1/s;n为流动性系数。(在水煤浆流动的数值模拟计算中,圆柱坐标(x)+2(12+)+2(2)锅炉制造总第205期B= kA-1(14) Herschel- Bulkley模型(通过变形可以得到幂流以上控制方程组理论上构成封闭条件可解,体模型)。差分格式采用一阶迎风格式,算法采但是由于方程组的复杂性,通常用计算机进行数用SMPE算法,收敛误差控制在0.1%。值求解。方程(2)至方程(14)即本文水煤浆管道流动进行数值求解的基本方程组。4计算结果与分析2水煤浆的实测流变特性4.1压差分析水煤浆管道流动中输送阻力最直接的表现是本文通过管流法运用幂定律流体模型对浓度单位长度上的压差。图2至图4是水煤浆在三个为65.3%的神化煤水煤浆分别在管径为25管径中不同流量下单位长度压差的实验值与计算mm、32mm和40mm的管道中进行了流变特性值的比较。实验值显示单位长度压差随流量的增测量,所得结果示于图1,实测得到的水煤浆流变加而增加,基本成线性变化;随着管径的增加,同方程如下:流量下的单位长度压差减小。通过实验测量值管径d=25mm,Tr=0.43197y0请与计算值比较,流量较小时不同管径单位长度上管径d=32mm,r=0.46013yy0的压差,两者非常接近;流量较大时计算值大于测管径d=40mm,ry=0.53242y0B量值相同单位长度压差下对应的流量计算值小r,为壁面剪切应力,y为壁面剪切速度。于实验值。H25mm230滑移修正后的计算值1500000000000010.00020.0003000040.00050.0006流量gh图2管径25mm单位长度压差图1剪切应力与剪切速率的关系250003水煤浆的管道流动模拟实验值白2000计算值由于水翠的表观粘度较大卖验中管内的;m的x平均流速比较小,广义雷诺数小于20,水煤浆管道流动可认为是层流流动。本文对65.3%的100水媒浆运用 FLUENT软件里提供的非牛顿流体50模型进行模拟计算。计算的基本假设为:0600000.00025000050000075000100(1)水煤浆是不可压缩的流体流量gm3,s1(2)流动过程为定常的层流流动,且流线平行于管轴线;图3管径32mm单位长度压姜(3)流场中某一点的剪切速率只与该点剪切图2至图4显示的三个管径中,当水煤浆的应力有关。流速超过某个值时,单位长度压差计算值开始大网格采用四面体和六面体网格。入口边界条于实验值,这一现象是由于水煤浆在管道中流动件为:水煤浆的密度127823kg/m3,采用平均速时出现了滑移和减阻现象,导致理论计算的单位度进口条件。模型采用非牛顿流体模型中的长度压差大于实际流动时的压差,因为理论计算4期赵国华,等:高浓度水煤浆直管内流动的数值模拟31中没有考虑滑移的存在和影响。管内滑移流动产流体的大分子浓度降低,因此粘度也低。牛顿流生的实质是由于固体颗粒向管中心主流区域迁移体在固体壁面流动时,壁面上的流体贴附于壁面所致在管内壁面处形成了一层颗粒浓度很低、粘上而不会滑移但是非牛顿流体在一定条件下在度显著下降而剪切应变速率很大的薄层即滑移壁面处产生滑移层。水煤浆在实际流动中产生的壁面滑移减阻现水煤浆在管道中流动由于滑移产生减阻现象在本文计算中得到了验证。象,其实质是由于煤粉颗粒向中心主流区域迁移,致使管内壁面处形成一层煤粉浓度很低,粘度显实验值著下降而剪切速率很大的薄层(称为滑移滑移修正后的计算值层)9:。滑移层对整个管道流动的影响通常用滑移速度来表示,认为壁面处水煤浆有一个滑移速度。对三个管径中得到的单位长度压差计算值4000△P大于实验值AP的各个点根据单位长度压差的计算值AP得出计算平均流速u,由实验测量的流量Q求出实际平均流速u。。定义滑移速00250005900075000度a,为计算的平均流速2与实验测量平均流速n之差,即u=u“L灬°图4管径40mm单位长度压差图6显示三个管径中各个平均流速下对应的滑移速度。各个管径中的滑移速度绝大多数处于0.02m/s左右。说明水煤浆在管道中流动时,平060均流速超过临界速度产生滑移,滑移速度基本不0.5变。通过滑移速度对入口边界条件进行修正,计算结果仍然显示于图2至图4中。可见,通过滑移速度修正,单位长度压差减小,使计算值与实验045值吻合良好。0.0240.0270.0300033003600390.042管径Dm0.15图5临界速度与管径的关系4.2临界速度霍国胜等认为液体在流动过程中要考虑滑移的依据是流动速度是否超过临界流速,若超合匙色酽△b过临界流速,则出现滑移,出现滑移就能实现减002040.6081012阻通过对三个管径下计算值与实验值比较得出平均流速um,sl临界流速与管径的关系如图5。当管道中的流速图6滑移速度与平均流速的关系超过临界流速时,水煤浆在管道中产生滑移现象;4.5速度场当管道中的流速低于临界流速时,水煤浆在管道速度场可反映水煤浆在管道中的流动状况。中不产生滑移现象。从图5可以看出随着管径的图7是三个管径中水煤浆的无量纲速度分布横增大,临界速度减小,近似呈线性变化,即管径越坐标是无量纲半径,为各点半径与管道半径的比大,越容易产生滑移。值,纵坐标是无量纲速度,为不同半径处的速度与4.3滑移速度管道平均速度的比值。理论上对于同一个浓度的Cohen和 Metzner认为在非均匀应力场中流水煤浆图7中的三条线应该完全重合,但是水煤动诱发大分子离开边壁向中心漂移,使紧贴壁面浆的流变特性与管径有关系,不同的管径中水煤32·锅炉制造总第205期浆的流变方程不一样,即式(1)中的n不同导致2)通过比较单位长度压差计算值与测量值,图7中的三条曲线不完全重合。但由于流动系数得到了不同管径流动中水煤浆的临界流速;当管n非常接近,图7中的曲线重合度也非常好,表明道平均流速超过该临界流速时,水煤浆在管道中数值模拟结果的准确性产生滑移和减阻现象。随管径的增加,临界速度减小,即管径越大越容易产生滑移减阻现象。口-25mm-323)通过数值模拟计算得出三个管径下的水煤浆流动滑移速度均在0.02m/s左右。当水煤浆在直管中流动的平均流速超过其临界速度时即产生滑移,其滑移速度与平均流速和管径呈弱相关4)水煤浆管内流动中,表观粘度在管中心最低,随半径增大,表观粘度先急剧增大,然后再缓慢增加,至壁面处到达最大。参考文献图7不同管径中水煤浆的无量纲速度分布[1]赵光宇窦文英水煤浆的管道输送工程[]中国4.6表观粘度煤炭,203,29(8):12-13图8是计算得到的三个管径中相同平均流速2]rui,H.etal. Thermodynamic analysis of the gasific下管道横截面上的表观粘度分布。对于幂律流体tion of coal water slurry fuels for a circulating fluidized水煤浆的表观粘度μ。=ky-1,由于n大于1,表bed gasifier [J] Journal of Power and Energy, 2002216(A5):343-353.观粘度随剪切速率的增大而增大。从图中可以看[3] Burdukoy A.p, Konovalov V.v.,Porv.L,Fe出从管壁到管中心,壁面处表观粘度最大,然后先dosenko V. D. Rheological properties and character稍许减少,再急剧减少,管中心处的表观粘度最tics of hydraulic transportation and heat -mass ex-hange of coal-water fuels [J]. Journal of MiningScience,2002,3(38):22-228[4]孟令尊非牛顿流体在配注器波纹杆环空中流动的数值模拟[J]大庆石油学院学报,2006,30(3):300.6433[5] Patanker, S. V Numerical Heat Transfer and FluidFlow [M]. New York: Mc-Graw-Hill, 1980,1025m0.52-32m[6]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,040030020010000010.020031997,80-83[7]霍国胜液体沿固体壁面滑移减租分析机理[J]油气储运.1998,17(12):8-10图8不同管径中截面的表观粘度分布[8] Cohen,Y, and Metzner A. B. Apparent alip flow of5结论polymer solutions [J].. Rheol 1985(29): 29-65[9] Shirley C Tsai and Everett W, Knell. viscometry and1)用 FLUENT软件中的非牛顿流体模型能rheology of coal water slurry [J]. Fuel, 1986, 66(4)较好的模拟高浓度水煤浆在直管中流动下的单位566-571长度压差,计算结果与实验值比较接近,误差在[10】 Mooney M. Explicit formulas for slip and fluidity10%以下。[J]. Joumal of Rheology, 1931, 2(2):210-222编辋:韩基文)