直管内水煤浆流动阻力的数值实验

第39卷第3期锅炉技术VoL, 39, No. 32008年5月BOILER TECHNOLOGY文章编号:CN31-1508(2008)03-0001-04直管内水煤浆流动阻力的数值实验赵国华,陈良勇,刘猛,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)关键词:水煤浆;非牛顿流体模型;阻力系数;数值实验摘要:运用非牛顿流体模型对水煤浆流经直管进行数值模拟,通过压差实验值与计算值的比较验证计算模型的正确性。基于正确的计算模型,进行数值实验研究沿程阻力系数。总结得出水煤浆流经直管时沿程阻力系数的经验公式。通过对速度场的分析得出水煤浆流动的核心区。中图分类号:TQ53文献标识码:A沿程阻力系数定义[:1前言水煤浆管道输送比其它运输方式如卡车或火车具有明显的优势,同样具有经济性。管道输送是可靠的不受恶劣气候如暴风雪或低温的影式中4D一测量段压差Pa响,并且由于一定程度的自动操作,人工劳动相p—密度,kg/m2;V—流速,m/s;对减少,也开辟了输送能源新技术的开端,那就是远距离高容量煤浆管道输送。水煤浆在直管L—测量长度,m中输送,存在沿程阻力损失,对水煤浆流经直管为了研究沿程阻力系数,对非牛顿流体在圆时沿程阻力的数值实验研究具有重要的意义。管中的流体力学特性,许多研究者针对不同本文采用管流法和旋转粘度计法相结合得出水煤浆的流变方程,运用非牛顿流体模型对浓度分的研究对象和研究目的,提出不同的雷诺数定义,本文采用基于壁面表观粘度的雷诺数:别为57.08%和59.10%的神华水煤浆进行数值模拟。通过实验值与计算值的比较,验证计算a-,t=n+1×8(2)模型的正确性;基于正确的计算模型对管径分别式中:P—密度kg/m为25mm32mm、40mm和50mm的直管进行流速,m/s;数值实验,研究沿程阻力系数。d—直径2沿程阻力系数孙—表现粘度;h一流变指数1933年尼古拉兹采对一系列管道进行实验,得出了管道沿程阻力系数变化的一般规律:3水煤浆的流变方程(1)雷诺数Re<2000时,水流为层流,λ与运用管流法和旋转粘度计法得出2个浓度Re呈倒数关系,且λ=64/Re。下水煤浆的流变方程:(2)20004000时,水流处于湍流状式中:Y—剪切速度态,受到的影响因素较多。剪切应力,Pa。收稿日期:2007-07-03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,东南大学能源与环境学院硕士研究生主要从事洁净煤技术研究第39卷计算模型进行数值模拟。通过计算得到实验压差与计算压差对比如下图4.1控制方程水煤浆在管内流动是一个等温过程,不考虑管径25m量浓度温度变化,直角坐标系中定常条件、不可压缩流实验值体流动通用形式方程为:at pp)+div(pUs)=divgrad)+S(3)式中:—自变量P—流体的密度U—速度矢量r—扩散系数;s—源项量r和S与ψ值有关。图1管径为25mm中计算值与实验值对比当∮=1时,通用微分方程变为质量守恒方程;当=L、、时分别为坐标系3个方向上的动普径32量方程。u2、42为坐标系3个方向上的速度。154.2非牛顿流体运动方程描述非牛顿流体的流变方程,建立应力与剪切速率的关系,表达式为:r2=+(py)式中:y—剪切速率,1/sr——剪切应力,Pa;流速/m-1屈服剪切应力,Pa;图2管径为32mm中计算值与实验值对比m、、c—常系数Tx=-p+2B 5管径40质量浓度Tx=-P+2B=x(6)r=r =B(2+-)BTn=tn=BO流速/m-13管径为40mm中计算值与实验值对+uA-1(11)A=「2()2+2m2)2+2(y+(+ky+管径50量浓度实验值+物y++2(12)出rx、r、r为坐标系3个方向上的法向应力rx、rs、rx、rs、ra、ra为坐标系3个方向上的切向应力5数值模拟结果与实验结果对比对2个浓度的水煤浆运用非牛顿流体模块图4管径为50mm中计算值与实验值对比第3期赵国华,等直管内水煤浆流动阻力的数值实验管径25mm质量浓度在20%以内,从而运用非牛顿流体模型中的实验值Herschel- Bulkley模型是正确的,运用此模型进行数值实验,探讨沿程阻力损失系数与流速、管径的关系是可靠、有工程应用的实际价值的。6数值实验结果6.1沿程阻力系数对管径为25mm、32mm、40mm和50mm在各个流速下进行数值实验,探讨沿程阻力系数图5管径为25mm中计算值与实验值对比与雷诺数的关系。图9和图10是2个浓度下各个管径中的沿管径32mm质量浓度实验值程阻力系数与雷诺数的关系,并且与牛顿流体中沿程阻力系数与雷诺数的关系相比较。雷诺数采用基于表观粘度的雷诺数,从图中可以看出,沿程阻力系数随雷诺数的增加而减小,并趋于相同;随煤浆的浓度增加而增加;相同雷诺数下,水煤浆的沿程阻力系数比牛顿流体的沿程阻力系数大,随雷诺数的增加,水煤浆沿程阻力系数与000流速/m-1牛顿流体的沿程阻力系数的差值越小。图6管径为32mm中计算值与实验值对比质量浓度管径实验值新12051015202530冒诺数流速m图9沿程阻力系数与雷诺数的关系图7管径为40mm中计算值与实验值对比质量浓度管径50mm质量浓度嘴突4008001200160020002400000306091.21.518雷诺数图10沿程阻力系数与雷诺数的关系图8管径为50mm中计算值与实验值对比通过对以上2个浓度沿程阻力系数与雷诺从图1至图8中显示单位长度压差随流速的数的关系研究总结得出经验公式增加而增加,基本呈线性变化。通过实验值与计浓度57.08%时:A=100/Re算值比较,计算值与实验值相当接近,相对误差浓度59.10%时:A=100/Re1.05炉技术第39卷经验公式的形式与牛顿流体的沿程阻力系径中的无量纲速度分布应该是完全重合的,从图数公式λ=64/Re相比还是相当接近的。l1、图122个图可以看出无量纲速度分布重合度6.2速度分布非常好。速度从管壁到管中心逐渐增加,速度梯速度分布是反映水煤浆在管道中的流动状度越来越小,中间产生一个流动核心区,从图中况。图11和图12是2个浓度下水煤浆在各个管可以大概看出核心区为之间径中的无量纲速度分布,横坐标是无量纲半径,7结论为各点半径与管道半径的比值纵坐标是无量纲速度,为不同半径处的速度与管道平均速度的比运用非牛顿流体模型结合进口条件运用外值。理论上对于同一个浓度的水煤浆在不同管接函数处理,对2个浓度的水煤浆流经4个管径的直管进行数值计算,通过实验值和计算值的压差比较,验证计算模型的正确性。基于正确的计算模型对水煤浆流经直管进行数值实验,沿程阻力系数随雷诺数的增加而减小,并趋于相同;随煤浆的浓度增加而增加;相同雷诺数下,水煤浆-H25 mm的沿程阻力系数比牛顿流体的沿程阻力系数大,随雷诺数的增加,水煤浆沿程阻力系数与牛顿流体的沿程阻力系数的差值越小。总结得出水煤051.0浆流经直管时沿程阻力系数的经验公式,并与牛图11浓度57.08%无量纲速度分布顿流体流经直管时沿程阻力系数相比较,形式比较接近。水煤浆在直管流动过程中,产生的流动核心区大概为一3R-3R之间。参考文献[1]孔珑,工程流体力学[M门.北京:中国电力出版社1992[2]Cohen Y, Metner A B. Apparent slip flow of polymer solutions门].J. Sheol,1985,34(29):67-102.[3]岑可法姚强曹欣玉,等.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理10论与应用技术[M杭州浙江大学出版社,1997:146-149[4]沈崇棠刘鹉年非牛顿流体力学及其应用[M].北京:高等教图12浓度59,10%无量纲速度分布育出版社,1989Numerical Exper iment of Flow Resistance ofCoal-water Slurry in Straight TubeZHAO Guo-hua, CHEN Liang-yong, LIU Meng, DUAN Yu-feng(Key laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technologyof the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)Key words: coal-water slurry: non-newtonian model; friction coefficient: numerical simulationAbstract: Numerical simulation of coal-water slurry flow in straight tube by Non-Newtoni-an model, the correctness of computational model was conformed by the comparison of pres-sure drop between experimental values and calculated values. Base on the correct model,ntmerical experiments were carried, the distance friction coefficient was researched. The expe-rienced formula of distance friction coefficient was gained. By the study on velocity fieldcore region of flow in straight tube was given out.