基于直管道的濕煤灰兩相流數值模擬

肖龍飛，張錦洲，江一平

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

張雷

(徐州工業職業技術學院建筑學院，江蘇 徐州 221140)

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基于直管道的濕煤灰兩相流數值模擬

肖龍飛，張錦洲，江一平

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

張雷

(徐州工業職業技術學院建筑學院，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行了數值模擬，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。研究發現，水灰比體積配對直管流體流動影響較大:煤灰的體積分數從10%增大到40%的過程中，運輸的效率越來越高；但體積分數增加到50%及以上時，出現“堵塞”現象，效率下降；煤灰體積分數為40%時管道流體流動效率最佳。

濕煤灰；兩相流；歐拉模型；數值模擬

濕煤灰是煤化工的伴生產品，產生量大，成分復雜，且污染環境。隨著循環床鍋爐技術和高濃度粘稠物料輸送技術的日益成熟，采用全封閉管道輸送系統輸送濕煤灰對鍋爐進行燃料供應已經證明是一種新型、高效、節能、環保型的解決濕煤灰問題的最佳手段。由于對輸送系統的普遍規律研究仍不夠深入，因此，研究濕煤灰管道輸送問題越來越引起人們的關注[1]。

物料在管道內的輸送主要借助2種介質:一種是液體，即用水或其他液體作為載體，在壓力驅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、黏度大，其特征介于固體/流體之間，其輸送過程較為復雜[3]。因此有必要對濕煤灰這種兩相物料的管道輸送規律進行研究，以達到優化操作工藝、控制物料流動狀態、穩定輸送的目的。

1　計算模型

1.1幾何模型及網格劃分

濕煤灰進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，并劃分網格，如圖2所示。

1.2物性條件及數學模型

根據工程實際，管道進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；由于鍋爐頂部為負壓，所以物料能順暢進入爐體內。

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,按照質量守恒定律,流入的質量與流出的質量之差應為零[5，6]，根據質量守恒定律定義,得出固液兩相組合的質量守恒方程：

(1)

(2)

2　模擬計算結果與分析

圖3　參數設置

在FLUENT中讀入網格，檢查網格，多相流模型為歐拉模型[8]。兩相流分別設為煤灰和水，設置邊界條件為速度進口，參數設置具體如圖3所示。

2.1水平直管壓強分析

設置管道進口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分數為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內部的流動情況，得出管道內部壓強狀況如圖4所示。

從圖4模擬結果可以看出，10%到40%管內壓力從進口到出口呈現有規律降壓。其中，體積分數為10%的進口最高壓強為70.6Pa，出口最低壓強為-455Pa；體積比為40%的進口最高壓強為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。但當繼續增大濕煤灰的體積分數到50%、65%時，出現紊亂，傳輸效率反而下降，管內大部分呈現高壓，達到1.32×105Pa，并且隨著體積分數的增大，出現高壓的區域和數值也在增大。

2.2水平直管流速分析

水平直管道，設置管道進口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分數為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內部的流動情況，得出管道內部速度狀況如圖5所示。

從圖5可以看出濕煤灰不同體積分數在水平直管道中的運動情況。體積分數為10%、40%可以看出是明顯的湍流，流體層之間出現顯著的分子團簇的橫向摻混，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。其中體積分數10%的出口中心層最大速度為1.76m/s，而體積分數為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數變大，傳輸效率得到提高。但體積分數增大到50%時，顆粒組分增多，堵塞管道流體流動造成停滯，管內速度出現負值。

2.3豎直管道壓強分析

豎直管進口端設在下端，濕煤灰由下往上流動，設置管道進口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分數為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內部的流動情況，得出管道內部壓強狀況如圖6所示。

由圖5可以看出，在重力作為阻力的影響下，各區域的壓強都明顯低于水平管道，但豎直管進出口壓強差大于水平管。煤灰體積分數為10%時進口端壓強為48.Pa，出口端壓強為-10.1Pa。體積分數為40%時，進口端壓強為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。煤灰體積分數為50%、65%時，與同體積分數水平管壓強分布規律相似，只是數值略低于同體積分數的水平管。

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

設置管道進口流速為1.5m/s，依次模擬煤灰體積分數為10%、40%、50%、65%的兩相流在管道內部的流動情況，得出管道內部速度狀況如圖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數的煤灰在豎直管中流速分布情況，體積分數為10%、40%可以看出是明顯的湍流。其中體積分數為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。而體積分數為40%的出口最大速度為1.94m/s，且分布在中心層區域。同樣的增大到50%以上，管內速度出現負值。

從以上模擬結果來看，無論是水平直管還是垂直管，從流速圖和壓強圖綜合分析，煤灰的體積分數從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“堵塞”現象，此時，對進口條件提出了更高的要求，即需要更大的進口速度或者進口壓強。

3　結論

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，煤灰的體積分數為40%時，直管道進出口壓降最大，輸送效率最高。

3)從流速方面分析，煤灰的體積分數從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“堵塞”現象，效率反而下降。

[1]劉杰，趙奎，許楊東，等.基于L型管道料漿輸送性能試驗研究[J].礦業研究與開發，2016，36(2)：100～104.

[2]吳迪，蔡嗣經，楊威，等.基于CFD的充填管道固液兩相流輸送模擬及試驗[J].中國有色金屬學報，2012，22(7)：2134～2140.

[3]沈家華.深井長距離膏體自流輸送技術研究與應用[J].采征技術，2014，14(1):72～76.

[4]趙學義，付建卓，崔玉江，等.煤泥的流變特性實驗研究[J].中國礦業大學學報，2006，35(1):75～78.

[5]吳淼，趙學義，潘越，等.城市污泥的特性及管道輸送技術研究[J].環境工程學報，2008，2(2):261～265.

[6]包福兵，林建忠，吳法理，等.濕煤灰管道氣力輸送特性的研究[J].流體機械，2005，33(7)：15～19.

[7]Wu M，Chen J， Zhang N， et al.Design of rheological test system with pressurized pipe flow[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29(7):1450～1454.

[8]謝翠麗，陳康民.煤水兩相流動管內表觀滑移的數值研究與分析[J].煤炭科學技術，2007，35(11):81～84

[編輯]洪云飛

2016-04-00

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(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，現主要從事材料加工方面的教學與研究工作；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值模擬[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(19)：37～41.