湯帥,丁時(shí)康,楊建興,魯文龍,于天藝,郭瑞,張冰*
(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029;2.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)
造粒設(shè)備是一種重要的石油化工加工設(shè)備,廣泛運(yùn)用于復(fù)合材料的加工成型過程,其模型圖如圖1所示。復(fù)合材料在通過雙螺桿擠出機(jī)擠出后,通過切粒裝置完成切粒的一級(jí)成型。需要進(jìn)入含靜態(tài)混合器的管路中進(jìn)行二次成型,粒子在流體流動(dòng)過程中與靜態(tài)混合器及管壁不斷碰撞,粒子變成圓形。復(fù)合管路前端連接水下切粒系統(tǒng),后端對(duì)接帶有過濾功能的儲(chǔ)罐,為在加工成型過程中在輸送管路完成水力輸送與靜態(tài)混合。需要對(duì)復(fù)合管路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),既要滿足工藝要求,還要盡可能節(jié)約資源成本,并合理利用空間。
圖1 水下切粒結(jié)構(gòu)示意圖
張春梅[1]通過理論計(jì)算,發(fā)現(xiàn)流體在流經(jīng)含SMV型靜態(tài)混合器的圓管時(shí),壓力降的下降遠(yuǎn)大于普通圓管,且壓力降的變化值的穩(wěn)定性與管路中流動(dòng)輸送效果和混合效果的穩(wěn)定性具有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此對(duì)于管路壓力降的研究變得很具有意義。E Saa[2]與M Cor[3]等利用粒子示蹤原理,不同靜態(tài)混合器進(jìn)行仿真模擬分析,通過計(jì)算探究與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法,對(duì)有限元計(jì)算在靜態(tài)混合器速度場(chǎng)與流暢領(lǐng)域的可行性得到了證實(shí)。A Yang[4]與H Meng[5]通過對(duì)不同類型靜態(tài)混合器混合狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析,探究了靜態(tài)混合器元件組數(shù)與混合效率的關(guān)系。本文針對(duì)一款現(xiàn)有高精度的混煉與水下多級(jí)成型裝備,通過CFD仿真模擬軟件對(duì)比不同的管路布置方式對(duì)管路壓力降的影響。進(jìn)而探究不同的管路布置方式對(duì)于水力輸送與靜態(tài)混合影響。進(jìn)而優(yōu)化裝置復(fù)合管路設(shè)計(jì)。
輸送管路前端連接水下切粒系統(tǒng),后端對(duì)接帶有過濾功能的儲(chǔ)罐,內(nèi)部裝有靜態(tài)混合器。傳統(tǒng)水力運(yùn)輸管路采用管路環(huán)繞布置的方法,維修拆卸復(fù)雜,對(duì)空間利用率低,本文采用一種新型的直管曲折排布法,節(jié)省空間及維修拆卸方便。
根據(jù)實(shí)際操作環(huán)境及場(chǎng)地制約,提出如下兩種管路布局設(shè)計(jì)方案:
方案一采用傳統(tǒng)管路布置方法,通過將管路環(huán)繞現(xiàn)場(chǎng)房間排布,使之節(jié)省空間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)房間尺寸,設(shè)計(jì)使用長(zhǎng)度為11 m,7 m,2.5 m的三種直管,通過4個(gè)90°彎頭完成管路布置,完成三維模型的建立如圖2所示。
圖2 傳統(tǒng)管路布置
方案二采用直管曲折排布法,考慮到裝置設(shè)計(jì)空間節(jié)省與易于維修拆卸,在設(shè)計(jì)中使用長(zhǎng)度為1.7 m的直管,水平方向一共5段,垂直方向共4層,管路內(nèi)部裝有長(zhǎng)徑比為1:1的SK靜態(tài)混合器,使用180°彎頭19個(gè)將管路完成連接。則模型參數(shù)為水平直管長(zhǎng)度為34 m,模型的豎直高度為1.5 m。采用連接直管曲折排布的方法,完成三維模型的建立如圖3所示。
圖3 直管曲折排布管路布置
對(duì)比兩種管路布置分析得出,直管曲折布置方式在空間利用率與維修拆卸方面優(yōu)于傳統(tǒng)管路布置方式。在對(duì)空間大小有限制或需要頻繁維修的情況下,直管曲折布置方式遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)管路布置方式。
在進(jìn)行管路內(nèi)部流場(chǎng)仿真模擬計(jì)算時(shí),考慮到湍流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)極為復(fù)雜,針對(duì)液體在管路中運(yùn)動(dòng),對(duì)計(jì)算過程做出說明。
(1)管路流體為連續(xù)且不可壓縮的流體;
(2)計(jì)算結(jié)果為某一時(shí)刻管內(nèi)流體流場(chǎng)分布,為瞬態(tài)結(jié)果;
(3)本計(jì)算不考慮外界溫度對(duì)流體影響;
(4)管內(nèi)流體的黏度為常數(shù)。
在以上假設(shè)前提下,采用湍流理論模型來描述連續(xù)流動(dòng)的不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),上述流場(chǎng)的偏微分方程為:
連續(xù)性方程:
流體仿真的動(dòng)量守恒方程:
描述不可壓縮的穩(wěn)態(tài)湍流的Reynolds 應(yīng)力模型:
本文采用的Realizable k-ε湍流模型,該模型在不可壓縮的穩(wěn)態(tài)湍流方面的模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確。
(1)管路進(jìn)入口的邊界條件
模擬入口設(shè)置為速度入口,流速為0.1 m/s;出口。
(2)其他邊界條件
光滑壁面,無滑移,液體黏度為μ=0.385 5×10-3。
通過對(duì)直管曲折排布法與傳統(tǒng)管路布置系統(tǒng)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬,得出兩種方案管路與速度壓力云圖。
傳統(tǒng)管路布置速度與壓力流線圖如圖4、圖5所示。從圖中可以觀察出,流體在管路內(nèi)部,由于靜態(tài)混合器的剪切作用,先發(fā)生分流,然后產(chǎn)生徑向混合,效果良好,流體運(yùn)輸過程中并沒有出現(xiàn)回流和大的流動(dòng)分離現(xiàn)象。因此推斷,該種類型的管路布置方式,流動(dòng)輸送效果和混合效果良好。
圖4 傳統(tǒng)管路布置壓力云圖
圖5 傳統(tǒng)管路布置壓力云圖
由于該種布置管路較長(zhǎng),為了解彎頭處流動(dòng)趨勢(shì),對(duì)傳統(tǒng)管路布置彎頭處局部放大處理。如圖6所示:
圖6 局部放大速度云圖
直管曲折排布法速度與壓力流線圖如圖7、圖8所示。從圖中可以觀察出,在同一跟水平管內(nèi)流體的速度基本沒有變化,壓力也是近乎下降很均勻。流體運(yùn)輸過程中并沒有出現(xiàn)回流和大的流動(dòng)分離現(xiàn)象。
圖7 直管曲折排布法壓力云圖
圖8 直管曲折排布法速度云圖
從圖中可以看出流體在彎頭處也有著良好的流動(dòng)趨勢(shì),同時(shí)在彎頭處的確有著運(yùn)輸能量損耗。以每段直管中點(diǎn)和進(jìn)出口作為測(cè)量點(diǎn),從進(jìn)口至出口依次設(shè)置編號(hào)1~5的五測(cè)量點(diǎn),可得到兩種不同的模擬出的速度和壓力值情況如下表1與表2所示。
表1 傳統(tǒng)管路布置速度壓力表
表2 直管曲折排布法速度壓力表
由表1與表2做出速度壓力曲線圖,進(jìn)行對(duì)比分析:
通過兩表對(duì)比可以得知,在同一管內(nèi)流體速度幾乎沒有變化,流體壓力也的下降得很平均。由上述分析可得在裝有SK靜態(tài)混合器的管路中,液體做著較穩(wěn)定的湍流流動(dòng)。流體流動(dòng)輸送效果與混合效果良好。兩種布置方式在輸送效果方面無明顯差異。
圖9 傳統(tǒng)管路布置速度壓力變化曲線
在湍流流動(dòng)工況下,管路系統(tǒng)壓力降來源于靜態(tài)混合器的壓力降。管路內(nèi)部采用SK型靜態(tài)混合器,采用直管曲折排布法,對(duì)SK靜態(tài)混合器壓力降進(jìn)行 測(cè)算。
圖10 直管曲折排布法速度壓力變化曲線
SK型壓力降計(jì)算公式:
式中:
?p——單位長(zhǎng)度壓力降,Pa;
ReD——雷諾數(shù);
μ——黏度,Pa?s;
L——靜態(tài)混合器長(zhǎng)度,m;
λ——摩擦系數(shù);
ρc——操作條件下連續(xù)相流體密度,kg/m3;
u——混合流體速度,m/s;
D——管內(nèi)徑,m。
由于管路運(yùn)行工況為完全湍流狀態(tài),各項(xiàng)參數(shù)取值如3表所示。
表3 計(jì)算參數(shù)數(shù)值
完全湍流狀態(tài)的雷諾數(shù)為每米管路的靜態(tài)混合器壓力降為:
故34 m長(zhǎng)的管路中SK靜態(tài)混合器壓力降應(yīng)為:
對(duì)直管曲折排布法管路整體采用仿真模擬,計(jì)算云圖如圖11所示,對(duì)管路入口與出口的平均壓力進(jìn)行測(cè)量,可知管路入口平均壓強(qiáng)為1 224.608 Pa,出口為-7 200.969 Pa ,模擬計(jì)算的壓力差為8 425 Pa。
圖11 直管曲折排布法管路整體壓力云圖
對(duì)比模擬計(jì)算與理論計(jì)算結(jié)果,誤差為:
從上述數(shù)據(jù)可以得知,兩種計(jì)算結(jié)果誤差較小,因此計(jì)算合理。通過對(duì)誤差結(jié)果的分析,誤差來源于流體黏度設(shè)置過于理想化,忽略了溫度與壓力對(duì)其產(chǎn)生的影響。
本文利用fluent有限元軟件對(duì)含靜態(tài)混合器管道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算,對(duì)比分析直管曲折排布與傳統(tǒng)管路環(huán)繞排布對(duì)管路壓力降的影響,探究不同的管路布置方式對(duì)于水力輸送與靜態(tài)混合影響。得到以下結(jié)論:
(1)直管曲折布置方式與傳統(tǒng)管路布置盡管在布置方式上不同,在初始條件不變的情況下,液體均做著較穩(wěn)定的湍流流動(dòng)。流體流動(dòng)輸送效果與混合效果良好。在對(duì)空間大小有限制或需要頻繁維修的情況下,直管曲折布置方式遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)管路布置方式。
(2)從仿真模擬結(jié)果可以得知,對(duì)于在同一直管內(nèi),流體速度幾乎沒有變化,流體壓力也的下降平均。
(3)從仿真模擬結(jié)果可以得知,流體在彎頭處也有著良好的流動(dòng)趨勢(shì),同時(shí)在彎頭處的確有著運(yùn)輸能量損耗。
(4)通過對(duì)含靜態(tài)混合器壓力降測(cè)算與仿真模擬的對(duì)比分析,在湍流流動(dòng)工況下,復(fù)合管路系統(tǒng)壓力降主要來源于靜態(tài)混合器的壓力降。