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。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)口最高壓強為70.6Pa，出口最低壓強為-455Pa；體積比為40%的進(jìn)口最高壓強為497Pa，出口最低壓強為-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?？梢钥闯鲭S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)域的壓強都明顯低于水平管道，但豎直管進(jìn)出口壓強差大于水平管。煤灰體積分?jǐn)?shù)為10%時進(jìn)口端壓強為48.Pa，出口端壓強為-10.1Pa。體積分?jǐn)?shù)為40%時，進(jìn)口端壓強為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(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(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。

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.