水力輸送過程管路布置方式對流體混合傳輸的影響

湯帥，丁時康，楊建興，魯文龍，于天藝，郭瑞，張冰*

(1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

0 研究背景

造粒設備是一種重要的石油化工加工設備，廣泛運用于復合材料的加工成型過程，其模型圖如圖1所示。復合材料在通過雙螺桿擠出機擠出后，通過切粒裝置完成切粒的一級成型。需要進入含靜態混合器的管路中進行二次成型，粒子在流體流動過程中與靜態混合器及管壁不斷碰撞，粒子變成圓形。復合管路前端連接水下切粒系統，后端對接帶有過濾功能的儲罐，為在加工成型過程中在輸送管路完成水力輸送與靜態混合。需要對復合管路進行合理的設計，既要滿足工藝要求，還要盡可能節約資源成本，并合理利用空間。

圖1 水下切粒結構示意圖

張春梅[1]通過理論計算，發現流體在流經含SMV型靜態混合器的圓管時，壓力降的下降遠大于普通圓管，且壓力降的變化值的穩定性與管路中流動輸送效果和混合效果的穩定性具有很強的相關性。因此對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，不同靜態混合器進行仿真模擬分析，通過計算探究與實驗結合的方法，對有限元計算在靜態混合器速度場與流暢領域的可行性得到了證實。A Yang[4]與H Meng[5]通過對不同類型靜態混合器混合狀態進行對比分析，探究了靜態混合器元件組數與混合效率的關系。本文針對一款現有高精度的混煉與水下多級成型裝備，通過CFD仿真模擬軟件對比不同的管路布置方式對管路壓力降的影響。進而探究不同的管路布置方式對于水力輸送與靜態混合影響。進而優化裝置復合管路設計。

1 管路輸送裝置物理模型

1.1 幾何模型對比分析

輸送管路前端連接水下切粒系統，后端對接帶有過濾功能的儲罐，內部裝有靜態混合器。傳統水力運輸管路采用管路環繞布置的方法，維修拆卸復雜，對空間利用率低，本文采用一種新型的直管曲折排布法，節省空間及維修拆卸方便。

根據實際操作環境及場地制約，提出如下兩種管路布局設計方案：

方案一采用傳統管路布置方法，通過將管路環繞現場房間排布，使之節省空間。根據現場房間尺寸，設計使用長度為11 m，7 m，2.5 m的三種直管，通過4個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 傳統管路布置

方案二采用直管曲折排布法，考慮到裝置設計空間節省與易于維修拆卸，在設計中使用長度為1.7 m的直管，水平方向一共5段，垂直方向共4層，管路內部裝有長徑比為1:1的SK靜態混合器，使用180°彎頭19個將管路完成連接。則模型參數為水平直管長度為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于傳統管路布置方式。在對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優于傳統管路布置方式。

1.2 數學模型

在進行管路內部流場仿真模擬計算時，考慮到湍流的運動狀態極為復雜，針對液體在管路中運動，對計算過程做出說明。

（1）管路流體為連續且不可壓縮的流體；

（2）計算結果為某一時刻管內流體流場分布，為瞬態結果；

（3）本計算不考慮外界溫度對流體影響；

（4）管內流體的黏度為常數。

在以上假設前提下，采用湍流理論模型來描述連續流動的不可壓縮流體的運動狀態，上述流場的偏微分方程為：

連續性方程：

流體仿真的動量守恒方程：

描述不可壓縮的穩態湍流的Reynolds 應力模型：

本文采用的Realizable k-ε湍流模型，該模型在不可壓縮的穩態湍流方面的模擬結果比較準確。

1.3 邊界條件

（1）管路進入口的邊界條件

模擬入口設置為速度入口，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。

2 流場數值模擬及結果分析

2.1 兩種不同管路布置流體速度與壓力分析

通過對直管曲折排布法與傳統管路布置系統流體運動狀態進行模擬，得出兩種方案管路與速度壓力云圖。

傳統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，流體在管路內部，由于靜態混合器的剪切作用，先發生分流，然后產生徑向混合，效果良好，流體運輸過程中并沒有出現回流和大的流動分離現象。因此推斷，該種類型的管路布置方式，流動輸送效果和混合效果良好。

圖4 傳統管路布置壓力云圖

圖5 傳統管路布置壓力云圖

由于該種布置管路較長，為了解彎頭處流動趨勢，對傳統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。流體運輸過程中并沒有出現回流和大的流動分離現象。

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趨勢，同時在彎頭處的確有著運輸能量損耗。以每段直管中點和進出口作為測量點，從進口至出口依次設置編號1~5的五測量點，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，進行對比分析：

通過兩表對比可以得知，在同一管內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靜態混合器的管路中，液體做著較穩定的湍流流動。流體流動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 傳統管路布置速度壓力變化曲線

2.2 管路壓力降仿真模擬計算與相關理論計算對比分析

在湍流流動工況下，管路系統壓力降來源于靜態混合器的壓力降。管路內部采用SK型靜態混合器，采用直管曲折排布法，對SK靜態混合器壓力降進行 測算。

圖10 直管曲折排布法速度壓力變化曲線

SK型壓力降計算公式：

式中:

?p——單位長度壓力降，Pa；

ReD——雷諾數；

μ——黏度，Pa?s；

L——靜態混合器長度，m；

λ——摩擦系數；

ρc——操作條件下連續相流體密度，kg/m3；

u——混合流體速度，m/s；

D——管內徑，m。

由于管路運行工況為完全湍流狀態，各項參數取值如3表所示。

表3 計算參數數值

完全湍流狀態的雷諾數為每米管路的靜態混合器壓力降為：

故34 m長的管路中SK靜態混合器壓力降應為:

對直管曲折排布法管路整體采用仿真模擬，計算云圖如圖11所示，對管路入口與出口的平均壓力進行測量，可知管路入口平均壓強為1 224.608 Pa，出口為-7 200.969 Pa ，模擬計算的壓力差為8 425 Pa。

圖11 直管曲折排布法管路整體壓力云圖

對比模擬計算與理論計算結果，誤差為：

從上述數據可以得知，兩種計算結果誤差較小，因此計算合理。通過對誤差結果的分析，誤差來源于流體黏度設置過于理想化，忽略了溫度與壓力對其產生的影響。

3 結論

本文利用fluent有限元軟件對含靜態混合器管道內部流場進行仿真模擬計算，對比分析直管曲折排布與傳統管路環繞排布對管路壓力降的影響，探究不同的管路布置方式對于水力輸送與靜態混合影響。得到以下結論：

（1）直管曲折布置方式與傳統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，液體均做著較穩定的湍流流動。流體流動輸送效果與混合效果良好。在對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優于傳統管路布置方式。

（2）從仿真模擬結果可以得知，對于在同一直管內，流體速度幾乎沒有變化，流體壓力也的下降平均。

（3）從仿真模擬結果可以得知，流體在彎頭處也有著良好的流動趨勢，同時在彎頭處的確有著運輸能量損耗。

（4）通過對含靜態混合器壓力降測算與仿真模擬的對比分析，在湍流流動工況下，復合管路系統壓力降主要來源于靜態混合器的壓力降。