AIP裝置“Mg+CO2”氣固兩相輸送氣流速度的選取

李大鵬，成友才

(1.海軍工程大學(xué),武漢 430033；2.海軍東海艦隊(duì),上海 200000)

0 引言

外熱源式 AIP裝置可使用“Mg+CO2”作為無(wú)氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合，利用其反應(yīng)放出熱量，從而徹底解決AIP裝置的氣體排放問(wèn)題。

燃料箱內(nèi)的Mg粉由氣力輸送系統(tǒng)供應(yīng)給燃燒室，與CO2反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫反應(yīng)產(chǎn)物加熱工質(zhì)，工質(zhì)進(jìn)入斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)和閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)作功。

Mg粉流化與供應(yīng)直接影響燃燒性能，是外熱源式AIP裝置使用金屬燃料的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)AIP裝置工作性能有重要影響。

Mg粉的裝載、清空、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，均使用氣體保護(hù)進(jìn)行，CO2也作為 Mg粉的氣力輸送氣體和氧化劑。

氣力輸送系統(tǒng)輸送的Mg粉濃度應(yīng)穩(wěn)定且均勻，以保證燃燒室中燃燒的穩(wěn)定性、提高燃燒室燃燒效率和及其使用壽命，且Mg粉流量應(yīng)可調(diào)節(jié)，并能夠保持穩(wěn)定工況下的流量穩(wěn)定。此外，還需滿(mǎn)足AIP裝置的啟動(dòng)和停止、穩(wěn)定運(yùn)行、工況和功率變換的要求。

對(duì)使用Mg粉作為AIP裝置燃料的氣力輸送特性進(jìn)行研究，可采用數(shù)值模擬方法，為CO2輸送氣流速度的選取提供依據(jù)。

已有研究主要是針對(duì) Al粉燃料的實(shí)驗(yàn)研究[1-4]，對(duì)“Mg+CO2”氣固兩相流輸送特性方面研究較少。

1 氣固兩相輸送建模

氣固兩相流系統(tǒng)除湍流效應(yīng)外，還存在固體顆粒與氣流的相互作用，具有非線(xiàn)性和非平衡的內(nèi)在特征，對(duì)其數(shù)學(xué)描述和量化一直存在著很大的困難。

使用歐拉模型，將固體顆粒當(dāng)做擬流體對(duì)待，顆粒相與流體相在流場(chǎng)中是相互滲透，擬流體流動(dòng)等同于連續(xù)相流動(dòng)，采用同樣的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程描述，氣固相間作用通過(guò)氣固兩相間的曳力實(shí)現(xiàn)耦合。

Mg粉用作AIP裝置燃料時(shí)，顆粒直徑在50 μm～150 μm，平均直徑按下式計(jì)算

其中，dMg,i和xMg,i分別為Mg粉顆粒直徑及該直徑顆粒的摩爾百分比?？紤]到顆粒與氣流間相互作用，使用動(dòng)力平均直徑，根據(jù)自由下落顆粒的受力平衡方程得到[5]

其中，CMg,i和分別為某一直徑顆粒的曳力系數(shù)和平均曳力系數(shù)。動(dòng)力平均直徑隨流動(dòng)參數(shù)變化，當(dāng)Re數(shù)很小時(shí)，取最小值

隨著Re數(shù)增大，達(dá)最大值

可見(jiàn)，在高Re數(shù)下，,D與相等。

對(duì)于Re＜1000的單個(gè)顆粒，曳力系數(shù)[6]

對(duì)于非均勻懸浮的顆粒群，曳力系數(shù)[7]

其中，ε為空隙率。

單個(gè)顆粒在氣流中自由沉降時(shí)達(dá)到的最大速度，即氣流攜帶單個(gè)顆粒向上運(yùn)動(dòng)的最小速度，定義為顆粒自由沉降速度

其中，ρMg和ρCO2分別為Mg和CO2密度。

Mg粉顆粒與CO2氣流速度之間關(guān)系

其中，m為固氣輸送質(zhì)量比，m=GMg/GCO2，GMg和GCO2分別為Mg粉和CO2氣流的質(zhì)量流速，D為輸送管道內(nèi)直徑，αMg為Mg粉顆粒體積含氣率。

氣力輸送方式分為稀相和密相輸送。本文研究的情況屬于稀相輸送，固氣輸送質(zhì)量比不大，CO2氣流壓力較低且流速較大。

“Mg+CO2”系統(tǒng)中，可將Mg份顆粒視作顆粒相，CO2氣流看做連續(xù)相，顆粒的運(yùn)動(dòng)由牛頓運(yùn)動(dòng)方程描述，流體運(yùn)動(dòng)由Navier-Stokes方程描述，顆粒與流體間耦合，應(yīng)用無(wú)滑移邊界條件，為減少計(jì)算量，進(jìn)行微元平均，使用數(shù)值方法求解。

輸送氣流連續(xù)方程

動(dòng)量方程

其中，f為單位質(zhì)量力，P為應(yīng)力張量。能量方程

目前，對(duì)氣固兩相流系統(tǒng)建模最常采用的是簡(jiǎn)單平均方法，假設(shè)固體顆粒均勻分布在氣流之中，并與氣流的作用力相同。這種方法中，控制體積越小，精度越高。

圖1給出了不同氣流速度下，氣固兩相流系統(tǒng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。

很低氣流速度下，曳力作用難以懸浮固體顆粒，流動(dòng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立于流體速度而保持固定。氣流速度增大到最小流化速度Umf時(shí)，系統(tǒng)得到最小流化狀態(tài)。

氣流速度繼續(xù)增大并超過(guò)臨界值Umb時(shí)，將出現(xiàn)鼓泡。鼓泡是固體顆粒聚集的密相與氣體聚集的稀相共存的結(jié)果。氣流速度增大過(guò)程中，鼓泡數(shù)目增加，尺寸加大。

鼓泡體積份額隨氣流速度增大而增大到一定程度后，原本離散的鼓泡演變?yōu)檫B續(xù)的稀相，而原本連續(xù)的乳化相演變?yōu)殡x散的固體顆粒團(tuán)，成為湍流流化狀態(tài)。氣流速度繼續(xù)增大，稀相演變?yōu)檫B續(xù)相，固體顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象更明顯，系統(tǒng)進(jìn)入快速流化狀態(tài)。

氣流速度增大到稀相輸送發(fā)生的臨界值Upt時(shí)，兩相流結(jié)構(gòu)被破壞，系統(tǒng)突變?yōu)榫鶆虻南∠噍斔停到y(tǒng)可能呈現(xiàn)出稀相輸送的均勻狀態(tài)或上稀下濃的兩相狀態(tài)。均勻流化狀態(tài)類(lèi)似于理想氣體的理想流化狀態(tài)。

2 數(shù)值模擬與分析

對(duì)于80 mm直徑的水平管道，分別為5、10、20、30和40 m/s速度流入的CO2氣流，輸送100 μm平均顆粒直徑Mg粉，Mg粉流入速度設(shè)為1 m/s，初始體積含氣率0.5。

Mg粉流入水平管道后，Mg粉顆粒被拋射出去，存在著一個(gè)加速過(guò)程，Mg粉體積含氣率下降。隨后進(jìn)入充分發(fā)展段，Mg粉顆粒速度區(qū)域穩(wěn)定，體積含氣率基本不變。管道出口附近，存在著減速效應(yīng)，Mg粉體積含氣率又提高。見(jiàn)圖2。

CO2輸送氣流速度較低時(shí)，加速段較短，管道內(nèi)內(nèi)流速比較均勻。隨著CO2輸送氣流速度增大，加速段增長(zhǎng)，充分發(fā)展段縮短，減速段增長(zhǎng)。

圖3和圖4給出了CO2和Mg粉沿管道軸線(xiàn)方向上的體積含氣率分布。圖中可見(jiàn)，Mg粉體積含氣率隨 CO2輸送氣流速度增大而減小，CO2輸送氣流速度在20 m/s～40 m/s時(shí)，Mg粉體積含氣率隨CO2輸送氣流速度變化不顯著。因此，在AIP裝置中，傾向于選取較低的CO2輸送氣流速度，以不超過(guò)10 m/s為宜。

加速段長(zhǎng)度過(guò)短，會(huì)造成Mg粉結(jié)團(tuán)現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，對(duì)于彎管輸送管段較為常見(jiàn)的AIP裝置，CO2輸送氣流速度不應(yīng)過(guò)低，以不低于5 m/s為宜。

圖5給出了管道軸向剖面上的Mg粉體積含氣率分布的等值線(xiàn)和云圖，顏色越亮，代表體積含氣率越大。

CO2輸送氣流速度 5 m/s時(shí)，充分發(fā)展段長(zhǎng)度占管道總長(zhǎng)度的百分比近 60 %；而在 40 m/s時(shí)，該百分比約為30 %。

較低的CO2輸送氣流速度下，充分發(fā)展段較長(zhǎng)，Mg粉顆粒可以保持較大的體積含氣率，因此，對(duì)于Mg粉的密相輸送，應(yīng)選取較低的CO2輸送氣流速度。

Mg粉體積含氣率應(yīng)與 CO2輸送氣流速度相匹配，這對(duì)于 AIP裝置工況變換非常重要。AIP裝置功率提高，在增大Mg供給量的同時(shí)，應(yīng)降低CO2輸送氣流速度；AIP裝置功率降低，在減小Mg供給量的同時(shí)，應(yīng)提高CO2輸送氣流速度。這樣，需進(jìn)一步研究“Mg+CO2”氣固兩相輸送系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以及與之相適應(yīng)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖6給出了以壓力系數(shù)Kp表征的“Mg+CO2”氣固兩相混合物輸送阻力特性。由圖可見(jiàn)，Kp隨CO2輸送氣流速度增大而增大，在加速段差距最顯著；但隨氣固兩相混合物進(jìn)入充分發(fā)展段，不同CO2輸送氣流速度下的Kp差距不再顯著。

CO2氣流輸送速度20 m/s～40 m/s時(shí)，輸送阻力要顯著大于5 m/s和10 m/s的情況。因此，為減少AIP裝置中Mg粉輸送系統(tǒng)真空泵消耗功率，并降低工作噪聲，不應(yīng)選取較高的CO2氣流輸送速度。對(duì)于本文研究的5種情況，以5 m/s和10 m/s為宜。

3 小結(jié)

較大的CO2輸送氣流速度有利于避免輸送管道中出現(xiàn)Mg粉結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，但會(huì)增大輸送系統(tǒng)真空泵消耗功率和工作噪聲。

CO2輸送氣流速度不應(yīng)過(guò)低，以減小 Mg粉加速段長(zhǎng)度，并保持較大體積含氣率，

Mg粉體積含氣率應(yīng)與 CO2輸送氣流速度相匹配，為此，需進(jìn)一步研究“Mg+CO2”氣固兩相輸送系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，作為研發(fā)與之相匹配功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的依據(jù)。

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