低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒的流動(dòng)特性研究

陳 虹 邱小林 高 旭 李永存

(1航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 10028)

(2湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院 湘潭 411201)

低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒的流動(dòng)特性研究

陳 虹1邱小林1高 旭1李永存2

(1航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 10028)

(2湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院 湘潭 411201)

針對(duì)低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒的流動(dòng)屬于低濃度固液兩相流，且存在流道和部件動(dòng)靜干涉的特點(diǎn)，建立了低溫流體傳輸管路中的固液兩相流模型，并模擬研究了低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒時(shí)不同傳輸壓力、傳輸速度以及固體顆粒濃度下，傳輸管路的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及固體顆粒的分布。

低溫液體 低濃度 固態(tài)顆粒 流動(dòng)特性

1 引言

大量氣態(tài)物質(zhì)如能以低壓液態(tài)形式來(lái)運(yùn)輸和貯存，那么就比較經(jīng)濟(jì)。低壓液體和高壓氣體相比較，其裝載容積可以減小到十分之一或更?。?-2］。基于此，將氣體液化后貯運(yùn)和使用的模式，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、工業(yè)生產(chǎn)、化工過(guò)程、實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域［3］。

低溫液體的輸送安全性對(duì)其能否有效使用起著決定性的作用。低溫液體在輸送過(guò)程中不可避免地受外界環(huán)境影響而產(chǎn)生漏熱。當(dāng)受漏熱影響而產(chǎn)生兩相流時(shí)，管道中的壓力與溫度會(huì)發(fā)生一定的激變，使管道與閥門承受過(guò)壓而降低設(shè)備的可靠性和使用壽命，或發(fā)生爆裂、爆炸等安全事故［4］。在傳輸?shù)蜏匾后w(如液氫、液氦等)時(shí)，滯留在管路中的凝固點(diǎn)高于低溫液體沸點(diǎn)的氣體組分受冷并凝固成固體顆粒，并在低溫液體中形成固體顆粒雜質(zhì)(如固空顆粒等);管道內(nèi)的砂粒、鐵誘、焊渣和來(lái)自干燥劑的氧化鋁等也是管路存在固體顆粒的又一原因［5］，這些固體顆粒會(huì)卡塞閥門、泵和液量計(jì)、堵塞火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、引發(fā)安全事故［6-8］。

由此可見，低溫流體輸送系統(tǒng)產(chǎn)生的兩相流問(wèn)題是引起低溫流體輸送安全的主要問(wèn)題之一，必須得以解決［9］。因漏熱引起的氣液兩相流可以通過(guò)加強(qiáng)保溫和設(shè)置自動(dòng)排氣裝置得以解決;而固液兩相流問(wèn)題則因其流動(dòng)特性的復(fù)雜性往往難以解決。本文借助仿真手段，研究低溫液體傳輸過(guò)程中液體夾帶固體顆粒的流動(dòng)特性，進(jìn)而為提高低溫液體傳輸?shù)陌踩蕴峁﹨⒖肌?/p>

2 低溫流體傳輸過(guò)程中的固液兩相流模型

2.1 基本假設(shè)

在低溫液體傳輸中夾帶固態(tài)顆粒的兩相流動(dòng)，固體顆粒在液相中的受力非常復(fù)雜，升力與相間阻力、有效重力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)都很重要［10］。由于該兩相流動(dòng)屬于低濃度固液兩相流，且存在流道和部件的動(dòng)靜干涉問(wèn)題［11］，為實(shí)現(xiàn)其流動(dòng)特性數(shù)值模擬，現(xiàn)做如下假設(shè):

(1)低溫流體為不可壓縮流體，固態(tài)顆粒為連續(xù)介質(zhì)，低溫液體和固態(tài)顆粒的物性均為常數(shù);

(2)低溫流體傳輸管路絕熱性能穩(wěn)定，未發(fā)生漏熱和傳熱現(xiàn)象;

(3)固態(tài)顆粒為均勻的球形顆粒;

(4)顆粒之間的碰撞為彈性碰撞，且無(wú)摩擦;(5)不考慮固態(tài)顆粒在流動(dòng)過(guò)程中的相變。

2.2 數(shù)學(xué)模型

考慮固液兩相間作用力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，顆粒流方程為:

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

脈動(dòng)能方程:

式中:ρ為顆粒相的分密度，“—”表示綜合平均，Pij=為顆粒相的脈動(dòng)應(yīng)力，Ci=ci-vi為顆粒的脈動(dòng)速度，ci為顆粒的隨機(jī)速度，vi為顆粒的平均速度，qi為顆粒相的脈動(dòng)能傳導(dǎo)通量，T為顆粒相溫度;為顆粒單位質(zhì)量上所受平均外力，包括體積力和相間作用力;為顆粒單位質(zhì)量所受外力與顆粒脈動(dòng)速度相關(guān)項(xiàng)。

2.3 幾何模型

圖1為低溫流體輸配系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖。圖1中，槽車中的液氫通過(guò)氣體增壓方式輸送至貯箱，考慮輸送過(guò)程中的固體顆粒為固態(tài)空氣。槽車設(shè)置2個(gè)底部出液口，輸送時(shí)2個(gè)出液口同時(shí)出液并在混流管內(nèi)匯合后通過(guò)輸送管路輸送至貯箱。連接管用來(lái)表征管路中存在的通徑變化部位，如盲支管等?？紤]向下流動(dòng)的彎頭及垂直管、水平管路、向上流動(dòng)的彎頭及垂直管、調(diào)節(jié)閥等多種典型管路結(jié)構(gòu)形式。本文以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立傳輸管路仿真計(jì)算的幾何模型。

圖1 低溫流體傳輸系統(tǒng)Fig.1 Cryogenic fluid transfer system

2.4 邊界條件

輸配管路入口即槽車出液口定義為入口邊界，此次計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)邊界條件為:操作壓力為101 325 Pa，入口顆粒物濃度為10%。入口速度變化值分別為1、1.8、3、4.2 m/s;入口壓力變化值分別為 101 325、103 325、105 325、107 325 Pa;入口固體顆粒物濃度變化值分別為2%、4%、6%、8%、10%。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

基于上述模型及邊界條件，分別模擬研究了不同工作壓力、流速、濃度下低溫液體傳輸中夾帶固體顆粒的流動(dòng)特性。

3.1 工作壓力對(duì)夾帶固體顆粒流動(dòng)特性的影響

由圖2可以看出固體顆粒在管道內(nèi)的分布及沉積情況。當(dāng)管道入口壓力較小，低于105 325 Pa時(shí)，固體顆粒大部分在混合器內(nèi)和管道底部沉積，后段管路的顆粒濃度近乎為0，說(shuō)明低溫液體未夾帶固體顆粒流入貯箱，此時(shí)低溫流體攜帶固體顆粒的能力較弱;隨著壓力逐漸增大至107 325 Pa，管路出口顆粒濃度大于0，說(shuō)明一部分固體顆粒在混流管內(nèi)和管道底部沉積而另一部分固體顆粒則隨著液體流出管道，可見低溫流體攜帶固體顆粒的能力隨著壓力的升高而升高。這也表明:工作壓力能影響低溫液體對(duì)固體顆粒的攜帶能力，當(dāng)?shù)蜏亓黧w工作壓力較低時(shí)，低溫液體夾帶固體顆粒的能力較弱;隨著管道工作壓力不斷增大，液體攜帶固體顆粒的效應(yīng)增強(qiáng)，將有部分固體顆粒被低溫液體攜帶流入貯箱。

圖2 入口壓力對(duì)管路中固體顆粒濃度分布的影響Fig.2 Influence of inlet pressure on concentration distribution of solid particles in pipeline

3.2 流速夾帶固體顆粒對(duì)流動(dòng)特性的影響

由圖3可知，當(dāng)入口速度在1—1.8 m/s時(shí)，管路后段固體顆粒濃度為0，固體顆粒在管道混合器和管道底部沉積下來(lái)，低溫液體沒有夾帶固體顆粒流入貯箱;當(dāng)入口速度高于3 m/s時(shí)，管路后段固體顆粒濃度大于0，已有部分顆粒物隨著低溫液體流出進(jìn)入貯箱，而且入口速度從3 m/s升高至4.2 m/s，管路出口固體顆粒濃度顯著增大，即被夾帶流入貯箱的固體顆粒明顯增多?？梢?，低溫液體流速對(duì)低溫液體對(duì)固體顆粒的攜帶能力影響明顯。低溫液體流速越大液體對(duì)固體顆粒的攜帶能力越大，此時(shí)低溫液體可夾帶較高濃度的固體顆粒流入貯箱;反之，低溫液體流速越小液體對(duì)固體顆粒的攜帶能力也越小，此時(shí)低溫液體夾帶流入貯箱的固體顆粒濃度也越小。

3.3 濃度對(duì)夾帶固體顆粒流動(dòng)特性的影響

圖3 入口速度對(duì)管路中固體顆粒濃度分布的影響Fig.3 Influence of inlet velocity on concentration distribution of solid particles in pipeline

圖4表明了低溫液體中固體顆粒在管道內(nèi)的分布及沉積情況。入口流體流速和出口壓力保持不變時(shí)，隨著入口顆粒物濃度從2%增至10%，固體顆粒在管路中的沉積也越來(lái)越嚴(yán)重，尤其在上升管路彎頭處的大量沉積，增大了管路的流動(dòng)阻力，使得低溫液體的有效輸配量降低，甚至可能引起管路堵塞?？梢?，當(dāng)工作壓力和輸配流速不變時(shí)，若低溫流體傳輸管路內(nèi)固體顆粒含量增大，必須采取相應(yīng)措施，以免影響低溫液體的正常輸配。

圖4 入口固體顆粒濃度對(duì)管路中固體顆粒濃度分布的影響Fig.4 Influence of inlet particle concentration on concentration distribution of solid particles in pipeline

4 結(jié)論

低溫流體輸配管路中存在固體顆粒時(shí)，在不同壓力、流速、顆粒物濃度下，都不可避免的存在夾帶，并在一些部位沉積，具體規(guī)律如下:

(1)當(dāng)壓力較小時(shí)，固體顆粒在管路中較易沉積;隨著管道入口壓力不斷增大，固體顆粒在管道內(nèi)的沉積逐漸減少，并有部分固體顆粒隨著低溫液體流出管道，壓力愈大，管道中流體流速愈大，隨低溫液體流出管道的固體顆粒也愈多;

(2)當(dāng)速度較小時(shí)，固體顆粒在管路中沉積較多，甚至基本全部沉積;隨著入口速度的不斷增大，管道內(nèi)流體的速度也在不斷增加，固體顆粒隨著低溫液體流出管道，入口速度愈大，隨低溫液體流出管道的固體顆粒愈多。

(3)當(dāng)速度一定，入口濃度濃度較小時(shí)，一部分顆粒物會(huì)隨著低溫液體流出管道;隨著入口濃度逐漸增大，顆粒物在管道和底部沉積越來(lái)嚴(yán)重。

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Investigation on flow characteristic of entraining solid particlein cryogenic liquid transmission process

Chen Hong1Qiu Xiaolin1Gao Xu1Li Yongcun2
(1State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100028，China)
(2Hunan University of Science ＆ Technology，School of Energy ＆ Safety Engineering，Xiangtan 411201，China)

Aim to the characteristics of flow entraining solid particle is dilute two-phase flow and influence by flow passage and component in cryogenic liquid transmission process，the models of solid/liquid two-phase flow were built for cryogenic liquid transmission pipeline.Pressure fields，velocity fields and distribution of solid particle of the transmission pipeline were investigated by numerical simulation under different transmission pressure，transmission velocity and concentration of solid particle in cryogenic liquid transmission pipeline.

cryogenic liquid;dilute;solid particle;flow characteristic

TB611

A

1000-6516(2014)04-0001-04

2014-05-09;

2014-06-26

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51134005)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274098)、湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JJ6057)

陳 虹，女，48歲，碩士、高級(jí)工程師。