基于直管道的濕煤灰兩相流數(shù)值模擬

肖龍飛，張錦洲，江一平

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張雷

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

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基于直管道的濕煤灰兩相流數(shù)值模擬

肖龍飛，張錦洲，江一平

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

張雷

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

基于歐拉模型，利用FLUENT軟件對直管濕煤灰固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過改變水灰體積配比，分析不同體積比的管道流速和壓強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，水灰比體積配對直管流體流動影響較大:煤灰的體積分?jǐn)?shù)從10%增大到40%的過程中，運輸?shù)男试絹碓礁撸坏w積分?jǐn)?shù)增加到50%及以上時，出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象，效率下降；煤灰體積分?jǐn)?shù)為40%時管道流體流動效率最佳。

濕煤灰；兩相流；歐拉模型；數(shù)值模擬

濕煤灰是煤化工的伴生產(chǎn)品，產(chǎn)生量大，成分復(fù)雜，且污染環(huán)境。隨著循環(huán)床鍋爐技術(shù)和高濃度粘稠物料輸送技術(shù)的日益成熟，采用全封閉管道輸送系統(tǒng)輸送濕煤灰對鍋爐進(jìn)行燃料供應(yīng)已經(jīng)證明是一種新型、高效、節(jié)能、環(huán)保型的解決濕煤灰問題的最佳手段。由于對輸送系統(tǒng)的普遍規(guī)律研究仍不夠深入，因此，研究濕煤灰管道輸送問題越來越引起人們的關(guān)注[1]。

物料在管道內(nèi)的輸送主要借助2種介質(zhì):一種是液體，即用水或其他液體作為載體，在壓力驅(qū)使下將物料在管道輸送；另一種是使用空氣作為載體，固體物料在管道中進(jìn)行輸送[2]。筆者研究涉及的濕煤灰即是前者，屬于固液兩相流的范疇，物料在常溫常壓下幾乎不流動，顆粒細(xì)、黏度大，其特征介于固體/流體之間，其輸送過程較為復(fù)雜[3]。因此有必要對濕煤灰這種兩相物料的管道輸送規(guī)律進(jìn)行研究，以達(dá)到優(yōu)化操作工藝、控制物料流動狀態(tài)、穩(wěn)定輸送的目的。

1　計算模型

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

濕煤灰進(jìn)入燃燒爐前直管段幾何尺寸如圖1所示， 150mm管徑，運輸管路長度約2000mm；利用Gambit建立管道模型，并劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

1.2物性條件及數(shù)學(xué)模型

根據(jù)工程實際，管道進(jìn)口流體的速度大約為1.5m/s，物料含水率為50%，與水相比的相對密度在1.35，此時模擬運輸管路長度約2m；物料輸送到末端時壓力基本消耗完，稍稍大于零；由于鍋爐頂部為負(fù)壓，所以物料能順暢進(jìn)入爐體內(nèi)。

在FLUENT中，共有 3 種多相流模型[4]，即 VOF 模型、混合(Mixture)模型和歐拉(Eulerian)模型。多相可以是液體、氣體、固體的任意組合，歐拉模型適合流體中相的混合和分離，并且精度較高，所以，模擬煤灰和水混合的固液兩相組合選擇歐拉模型。

任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律，在流場中,流體通過一部分控制面A,流入控制體的同時通過另一部分控制面B流出控制體,按照質(zhì)量守恒定律,流入的質(zhì)量與流出的質(zhì)量之差應(yīng)為零[5，6]，根據(jù)質(zhì)量守恒定律定義,得出固液兩相組合的質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

2　模擬計算結(jié)果與分析

圖3　參數(shù)設(shè)置

在FLUENT中讀入網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格，多相流模型為歐拉模型[8]。兩相流分別設(shè)為煤灰和水，設(shè)置邊界條件為速度進(jìn)口，參數(shù)設(shè)置具體如圖3所示。

2.1水平直管壓強(qiáng)分析

設(shè)置管道進(jìn)口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內(nèi)部的流動情況，得出管道內(nèi)部壓強(qiáng)狀況如圖4所示。

從圖4模擬結(jié)果可以看出，10%到40%管內(nèi)壓力從進(jìn)口到出口呈現(xiàn)有規(guī)律降壓。其中，體積分?jǐn)?shù)為10%的進(jìn)口最高壓強(qiáng)為70.6Pa，出口最低壓強(qiáng)為-455Pa；體積比為40%的進(jìn)口最高壓強(qiáng)為497Pa，出口最低壓強(qiáng)為-642Pa，壓降明顯大于體積比為10%的直管道，傳輸效率也較高。但當(dāng)繼續(xù)增大濕煤灰的體積分?jǐn)?shù)到50%、65%時，出現(xiàn)紊亂，傳輸效率反而下降，管內(nèi)大部分呈現(xiàn)高壓，達(dá)到1.32×105Pa，并且隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，出現(xiàn)高壓的區(qū)域和數(shù)值也在增大。

2.2水平直管流速分析

水平直管道，設(shè)置管道進(jìn)口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內(nèi)部的流動情況，得出管道內(nèi)部速度狀況如圖5所示。

從圖5可以看出濕煤灰不同體積分?jǐn)?shù)在水平直管道中的運動情況。體積分?jǐn)?shù)為10%、40%可以看出是明顯的湍流，流體層之間出現(xiàn)顯著的分子團(tuán)簇的橫向摻混，從而使流體層之間的傳輸效率比層流時僅有的分子擴(kuò)散傳輸效率大為增加。其中體積分?jǐn)?shù)10%的出口中心層最大速度為1.76m/s，而體積分?jǐn)?shù)為40%的出口最大速度為1.94m/s。可以看出隨著濕煤灰的體積分?jǐn)?shù)變大，傳輸效率得到提高。但體積分?jǐn)?shù)增大到50%時，顆粒組分增多，堵塞管道流體流動造成停滯，管內(nèi)速度出現(xiàn)負(fù)值。

2.3豎直管道壓強(qiáng)分析

豎直管進(jìn)口端設(shè)在下端，濕煤灰由下往上流動，設(shè)置管道進(jìn)口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內(nèi)部的流動情況，得出管道內(nèi)部壓強(qiáng)狀況如圖6所示。

由圖5可以看出，在重力作為阻力的影響下，各區(qū)域的壓強(qiáng)都明顯低于水平管道，但豎直管進(jìn)出口壓強(qiáng)差大于水平管。煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%時進(jìn)口端壓強(qiáng)為48.Pa，出口端壓強(qiáng)為-10.1Pa。體積分?jǐn)?shù)為40%時，進(jìn)口端壓強(qiáng)為461Pa，出口端為-2270Pa，略低于水平管，但壓降還是明顯大于體積比為10%的豎直管道。煤灰體積分?jǐn)?shù)為50%、65%時，與同體積分?jǐn)?shù)水平管壓強(qiáng)分布規(guī)律相似，只是數(shù)值略低于同體積分?jǐn)?shù)的水平管。

圖4　水平直管流體壓強(qiáng)(單位：Pa)狀況

圖5　水平直管流體流速(單位:m/s)狀況

2.4豎直管流速分析

設(shè)置管道進(jìn)口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內(nèi)部的流動情況，得出管道內(nèi)部速度狀況如圖7所示。

圖6　豎直管道流體壓強(qiáng)(單位：Pa)狀況

圖7　豎直管道流體速度(單位:m/s)狀況

從速度云圖可以看出不同體積分?jǐn)?shù)的煤灰在豎直管中流速分布情況，體積分?jǐn)?shù)為10%、40%可以看出是明顯的湍流。其中體積分?jǐn)?shù)為10%的出口流速為為1.67m/s，最大速度不是分布在中心層，而是分布在邊界。而體積分?jǐn)?shù)為40%的出口最大速度為1.94m/s，且分布在中心層區(qū)域。同樣的增大到50%以上，管內(nèi)速度出現(xiàn)負(fù)值。

從以上模擬結(jié)果來看，無論是水平直管還是垂直管，從流速圖和壓強(qiáng)圖綜合分析，煤灰的體積分?jǐn)?shù)從10%逐漸增大到40%的過程中，輸送的效率越來越高，但是增加到50%及以上時，出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象，此時，對進(jìn)口條件提出了更高的要求，即需要更大的進(jìn)口速度或者進(jìn)口壓強(qiáng)。

3　結(jié)論

1)歐拉模型模擬濕煤灰管道輸送過程較為合理。

2)從壓強(qiáng)方面分析，煤灰的體積分?jǐn)?shù)為40%時，直管道進(jìn)出口壓降最大，輸送效率最高。

3)從流速方面分析，煤灰的體積分?jǐn)?shù)從10%逐漸增大到40%的過程中，輸送效率越來越高，但增加到50%及以上時，出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象，效率反而下降。

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[編輯]洪云飛

2016-04-00

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(104892014023)；江蘇省科技廳項目(BY2014034)；徐州市科技局項目(XM13B015)。

張錦洲(1976-)，男，博士生，副教授，現(xiàn)主要從事材料加工方面的教學(xué)與研究工作；E-mail:zjz1901@163.com

TQ022

A

1673-1409(2016)19-0037-05

[引著格式]肖龍飛，張錦洲，江一平，等.基于直管道的濕煤灰兩相流數(shù)值模擬[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(19)：37～41.