水煤浆流经小曲率半径弯管的阻力特性研究

第23卷第4期热力工程Vol 23, No 42008年7月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJul.,2008文章编号:1001-300(2008)04-045-04水煤浆流经小曲率半径弯管的阻力特性研究刘猛,陈良勇,段钰锋(东南大学能源与环境学院,江苏南京210096)摘要:在自制试验台上研究了水煤浆流经小曲率半径9式4。 Singh等人采用经验式计算了非牛顿流体流经水平弯管的局部阻力特性分析了不同的曲率半径R对弯较大曲率半径弯管的轴线压力梯度(S。但只有少数管的局部压力损失、压力损失系数以及摩擦阻力损失之比的人对非牛顿流体流经小曲率半径(RR<10)的9形响。结果表明:随着雷诺数R的增加,弯管的局部压力损水平弯管的局部阻力特性进行过研究,Mar采用,弯管的局部压力损失由不规则流动损失与弯管轴线加长压降比AP/△Pn(AP为弯管段的压降,AP为与弯所产生的沿程阻力决定。弯管曲率半径越大,临界雷诺数就管轴线长度相等的沿程直管段上的压力损失)与流量越大。弯管摩擦阻力损失之比随着Dean数的增加先降,的关系研究了多种非牛顿流体流经弯管(R。R=4)升。RL/R为40的弯管的局部压力损失、压力损失系数以的局部阻力特性。Mam研究了灰水混合物(剪切变及摩擦阻力损失之比均最小。稠)流经弯管(R。/R=2)的局部阻力特性7。但是他关键词:水煤浆;曲率半径;压力损失系数;临界雷诺数们都没有考虑到曲率半径的变化对弯管局部阻力特中图分类号:0373文獻标识码:A性的影响,而本文主要研究了高粘度的水煤浆流经具引言有小曲率半径的90水平弯管时,曲率半径的变化对弯管局部阻力特性的影响。水煤浆是一种液固两相的非牛顿流体,也是一种很有发展潜力的新型燃料。从长远来看,水煤浆1理论方法要被大量用于工业生产,其中必然会涉及到水煤浆的输送问题。目前国内水煤浆的技术研究主要集中目前,对于水平弯管局部压力损失有两种定义:种是对弯管自身几何长度内的压力损失而言;另在制浆、雾化燃烧、流变特性、触变性和稳定性等方面,但在管道输送方面尚有许多问题需要解决,如管种是对弯管所影响管段内的全部损失(局部加沿程损失)而言。本研究对弯管的局部压力损失采用道泵的特性、管道阻力的预测、管道局部装置流动阻力的计算等等,特别对局部装置中的流动研究甚少,第二种定义。而国外学者对非牛顿流体流经局部装置的阻力特性做了很多研究, Turian引用局部阻力系数得出了非牛顿流体流经突扩、突缩、弯管等局部管件的阻力压降ls.Ch.Ecma引用了无量纲的阻力系数(2),研究了湍流状态下的非牛顿流体流经各种局部管件(突扩、突缩、球阀、9弯管和门阀等)的阻力特性,△P并且得出了计算各种局部管件阻力系数的经验公式。 Tarun同样也获得了计算非牛顿流体流经各种小直径局部管件压力损失的经验式。目前对非牛顿流体流经弯管的局部阻力特性的研究主要集中在具有较大曲率半径Ra(R/R>10,其中R为圆管半径的水平弯管上,Ngm列举了许多图1弯管的压力分布工程上用于研究较大曲率半径弯管阻力特性的经验收稿日期:2007-08-02;修订日期:2007-08-30基金项目:国家重点基础研宪发展计划(973)基金资助项目(2004cB21701)能动力工如图1所示,弯管的压力损失主要是由两个部=20.58816+0.16273y,由于试验管道中的流速较分组成:一部分是弯管的局部压力损失 AP,另一低,水煤浆的表观粘度较大,所以可以认为管内流动部分是弯管段前后直管段的压力损失△P,则弯管属于层流状态。的总压力损失△P表示为2.1曲率半径对弯管的局部压力损失的影响图2给出了不同曲率半径弯管的局部压力损失弯管段前后直管段的压降采用下式来计算:与雷诺数的关系。从图中可以看出,在较小雷诺数AP=AP+△Ps(Re<75)下,水煤浆流经弯管的局部压力损失较小(LSI+Le).,gu2(2)且出现波动,其后随着雷诺数的增大,局部压力损失迅速地增加。式中:L、La弯管前后直管段的长度;管内的平均流速;p、D一水煤浆密度和圆管直径,对于阻力系数λ我们采用 Darey- Weisbach摩擦阻力系数:R2/B=30a=64/Re因此弯管的局部压力损失△Pw为:bend= APlot-AP=△P(L,l+ Le)DOliveira等人用压力损失系数研究了黏弹性流体层流状态下流经突扩管时的局部阻力特性8。故可引用压力损失系数来研究水煤浆流经弯管的诺数Re局部阻力特性,即=△Pw/)px2图2弯管的局部压力损失与雷诺数的关系White和 Mishrd-Gupla分别提出了用于计算较弯管的局部压力损失之所以波动,主要是因为大曲率半径(R』R>12)弯管的摩擦阻力损失之比水煤浆是一种具有触变性的非牛顿流体,在受到某与De关系的经验式9-0:剪切之后内部结构遭到破坏,粘度降低,如果停止J=1-{1-(16)0as121(6)剪切其内部结构又会缓慢恢复,粘度又会增大,从JG=1+0.033ogDe)+0(7)而导致再次启动时压力迅速增大。当水煤浆内部结其中构破坏与恢复达到平衡状态时,输送阻力也就稳定√R/R。下来张中民认为水煤浆流经弯管的局部压力损失随∫弯管段的摩擦阻力损失:着曲率半径R。的增大而增加l但在本次实验(9)中当笛诺数较大(Re>100)时,对于小曲率半径弯式中:一弯管的弯角。管的局部压力损失并不符合上述趋势。在同一雷诺弯管段前后稳定段的摩擦阻力损失数下,R/R=4.0的弯管局部压力损失为最小,Rfp=(10)R=12的弯管局部压力损失最大,但是RR=3.0的弯管局部压力损失却比R/R=4.0的弯管大。究其原因,主要是水煤浆流经弯管的局部压降由两2实验以及结果分析个因素决定:不规则流动的影响和弯管轴线加长所带来的沿程阻力的影响。对于水煤浆这种高粘度流在东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点体,在弯管内更趋于规则流动,但是对于曲率半径较实验室的水煤浆输送试验装置上对不同曲率半径的小的弯管,不规则流动因素的影响还是大于弯管轴90水平弯管(直径D=50mm)进行实验。实验采用线加长所造成的沿程阻力的影响。Mam在研究灰神华煤,浓度为56.,7%,实验前已通过直管确定了水混合物流经小曲率半径弯管的局部阻力特性时,第4期刘猛,等:水煤浆流经小曲率半径弯管的阻力特性研究427成的沿程损失2。随着曲率半径的逐渐增大弯管所对应的雷诺数叫做转折雷诺数。从图中可以得到轴线加长所造成的沿程阻力的影响将大于不规则流R/R为80和12的弯管转折雷诺数大约为195,而R/R为3.0和4.0的弯管转折雷诺数却比RR22曲率半径对弯管的压力损失系数的影响为8.0和12的弯管小,主要原因可能是随着弯管曲由式(5)计算出水煤浆流经弯管的压力损失系率半径的增加,高粘度的水煤浆在弯管内不规则流数,从而可以获得压力损失系数与雷诺数的关系。动的程度减少,所以必须在较大的雷诺数下才会出图3给出了不同曲率半径弯管的压力损失系数与雷现压力损失系数的转变诺数的关系。从图中可以看出,弯管的压力损失系Mam采用下式对灰水混合物流经弯管的压力数随着雷诺数的增加而降低,然后趋于稳定。但从损失系数和雷诺数的关系进行∫拟合,结果比较对图中(图3的局部放大)可以发现随着雷诺数的理想增加,R/R为3.0和4.0的弯管压力损失系数是逐f=K, Rez(11)渐增加的,而RR为8.0和12的弯管压力损失系式中:K1、K2拟合待定系数数是先降后升,且当R<195时,R/R为8.0和12运用式(11)对图3进行拟合时,发现在较小雷的弯管压力损失系数要高于R/R为3.0和4.0的诺数(Re<20)·情况下出现了较大的偏差。为了工弯管。Mam认为当灰水混合物流经弯管时,弯管的程运用方便,采用下式对图3进行拟合,结果如表1压力损失系数随着雷诺数(Re>500)的增加而增所示加2。E=K1+k2Re+k,Re(12)表1压力损失系数与雷诺数拟合的结果RR12K11.156840.679123.16433R/R=80R=l2k33.5194E52.21028E56.17538E55.6361E-5利用表1中的数据对相应弯管的压力损失系数进行计算时,误差均小于10%,属于工程允许误差s0100202范围之内。雷诺数Re23曲率半径对弯管摩擦阻力损失之比(f/,)的影响■R/B=300.5.o笛诺数Re图3弯管的压力损失系数与雷诺数的关系图4弯管的摩擦阻力损失比与D的关系通过对图3的分析,可以认为水煤浆流经弯管利用式(9)和式(10)可以分别求出水煤浆流经的压力损失系数随着雷诺数的增加先减少然后逐渐弯管的摩擦阻力损失f和fp,从而获得弯管摩擦阻压力损失减少到增加的转折428·热能动力工程2008年径弯管的摩擦阻力损失之比与D的关系。由图所(3)弯管的压力损失系数随着雷诺数的增加示,随着De的增加,弯管摩擦阻力损失之比先降低先降低后增加。随着曲率半径的增加,临界雷诺数后逐渐增加。在20312OLIVEIRA P J. Asymmetric flows of viscoelastic fluids in symmetri20的实验数据进行拟合,结果为plannar expansion geometries[ J]. J Non-Newtonian Fluid Mech, 2003K1=0.30087、K2=0.000021、k3=14.30086114:33-63把拟合参数带入式(14)从而可以获得水煤浆流经小[9] WHITE R G, FISHER M J, BERRY J F W. Test facilities technique曲率半径弯管的摩擦阻力损失之比与D关系的经and instrumentation[ J]. Joumal of Sound and Vibration, 1973, 28 (3)验式,但值得注意的是此经验式有一定的适用范围619-622R/R≤12,20