曳力模型对水平管高压密相气力输送模拟的影响

在欧拉-欧拉方法的基础上,引入Dartevelle摩擦应力模型、修正的颗粒动理学理论,采用考虑摩擦应力项的JohnsonJackson固相壁面边界模型以及Realizable k-ε-k_p-ε_p气固湍流模型对水平管高压密相气力输送进行了数值模拟,并考察了Huilin-Gidaspow曳力模型、Mckeen曳力模型以及构建的三段式曳力模型对数值模拟结果的影响.结果表明:与其他2个曳力模型相比,采用三段式曳力模型所得的模拟结果不仅精准地预测了水平管压降及水平管压降随补充风量的变化规律,其相对误差在-3.7%～+5.2%以内,而且更加合理地反映了水平管高压密相气力输送各流动形态的输送特性.采用三段式曳力模型预测的水平管固相体积浓度分布与ECT图相吻合,从而证实了三段式曳力模型更适用于模拟水平管高压密相气力输送.     

双组分高压密相煤粉气力输送数值模拟

采用基于Euler/Euler双流体模型的单组分气固两相流动力模型对高压密相气力输送进行了数值模拟和分析.并在该模型的基础上进行修正,建立了双组分气固多相流动力模型.同时应用双组分模型对高压密相气力输送进行数值模拟,并结合单组分的模拟结果进行了对比分析,获得了不同粒径的煤粉颗粒在高压密相气力输送过程中的流动特性.模拟结果发现:2种模型模拟所得的各管段流型相似,均能与试验ECT图结果相吻合,但采用双组分模型能更精确地计算水平管段和垂直管段的压降.与单组分模型相比,双组分模型计算精度提高了3%~4%.     

水平管段高压超浓相煤粉输送特性的数值模拟

在充分考虑气固两相相互作用的基础上,利用修正后的κ-ε湍流模型对以CO2为输送介质的高压超浓相煤粉气力输送进行了数值模拟.对于固相体积分数高达25％的高压超浓相煤粉气力输送,采用该模型模拟一体化管道(垂直管、弯管、水平管连接在一起),获得了水平管段中不同粒径的颗粒在截面上的速度分布、浓度分布,以及不同表观气速下水平管段中固相的径向浓度分布.模拟结果表明,在相同的输送条件下,大粒径煤粉的速度较低,更容易在水平管道沉积;煤粉粒径相同时,表观气速较大的颗粒在沉积区的浓度分布较小.将模拟结果与相同试验条件下的水平管电容层析成像(ECT)结果进行了对比,验证了本文模拟结果的正确性.     

不同雷诺数下90°弯管内流动特性的数值研究

运用FLUENT软件中的RNGk-ε模型对不同Re下圆形截面90°弯管内空气流动进行了模拟,分析了管内压力分布、二次流动和壁面上压力系数的变化,研究了Re不同时对壁面压力系数的影响.发现在气流进入弯管段后,流场由于流体惯性和分子黏性的相互作用,各个截面上出现了对称的二次流涡对.随Re增大,流体对于管道壁面的压力增大,管内压力损失也在增大.管道壁面上的压力系数随Re的不同差别不大,Re越大,压力系数越小,并且管道外壁面变化比内壁面更加明显.湍流时压力系数沿程变化比层流明显很多,曲率的影响也要强于层流.     

高压下不同载气多原料超浓相气力输送机理及流动特性研究

为了获得高压浓相气力输送过程中不同粉体的输送机理及流动特性,对发料罐内的流动特性、不同粉体的输送特性及含水率对流动稳定性的影响规律进行实验研究并进行数值模拟。引用先进的阵列式静电传感器对粉体流动过程的特征参数进行监测。结果如下:采用光纤颗粒浓度探针获得了常压上出料式发送罐内提升管入口附近区域颗粒浓度分布,揭示了提升管入口附近区域气固流动结构的变化规律。在高压超浓相条件下进行了不同含碳原料的气力输送实验研究,获得了褐煤、无烟煤以及石油焦的输送规律,发现了石油焦输送过程中的结壳问题并提出了解决方法;通过褐煤中不同赋存形态的水分进行分类研究,获得了不同褐煤气力输送临界水分含量。对工业规模级竖直上升管压降进行了研究,并对粉煤密相气力输送管路流型及其压力信号特征分析,揭示了粉煤流动稳定性以及流型变化特性。对基于颗粒动理学理论的双流体模型进行了修正,建立了描述常压上出料式发送罐内气固流动的数学模型,获得了提升管入口附近区域颗粒浓度和速度分布规律。基于双流体Euler-Euler方法,将k-ε-kp-εp湍流模型与颗粒动理学理论相结合,对高压超浓相粉体气力输送的气固两相流的全面力学分析,通过对气固两相流的动力学参数的瞬态分布特征的理论分析,对原有数理模型进一步的改进和完善后,利用此模型对高压超浓相输送系统中水平管、弯管和垂直管建立了完善的一体化管道并进行模拟计算。开发了基于阵列式静电传感器的多路相关速度测量系统,实现了颗粒局部平均速度的测量,并将其应用于高压浓相煤粉气力输送的过程监测中,为提高气力输送效率和输送稳定性提供参考依据。     

CO2/N2高压密相输送弯管压降特性实验研究

在高压密相气力输送实验装置上,研究了兖州烟煤在CO2和N2作为输送介质时,输送管路中水平弯管和垂直弯管压降的特性,以及云南褐煤煤粉含水率对水平弯管和垂直弯管压降的影响.结果表明:在系统压差相同,输送介质为CO2和N2时,水平弯管压降随表观气速U的下降而逐渐减小,CO2时煤粉体积分数比N2时小;垂直弯管压降随U的下降而减小,当U下降至5.3 m/s时,N2下垂直弯管压降达到最小值,CO2下没有出现压降最低拐点,CO2时垂直弯管的压降比N2时略高.由实验还发现,煤粉中水的质量分数增加会导致煤粉颗粒间相互粘黏、团聚,致使N2和CO2下水平弯管压降增大,垂直弯管压降小幅降低.通过模化理论和实验分析获得了不同输送介质下水平、垂直弯管的固相附加压损系数的拟合公式,由该式得到的弯管压降与实验吻合良好,误差在±5％以内.     

环管反应器内液固两相流的数值模拟

为了对环管反应器内液固两相的流动形态进行研究,建立以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速远大于自由沉降速度的情况下,模拟不同浆液入口速度时的环管反应器上升段压力降,同时对管道内液固两相流中的一些重要参数进行数值研究：在入口液固两相体积分布均匀的情况下,环管反应器上升段、弯管段以及下降段液固两相体积分布和液固两相速度均不一样,在弯管段由于离心力引起管道内二次流,使得固相颗粒甩向弯管的外侧壁,引起固相体积分数在弯管外侧壁明显增大,管道内固体颗粒相分布不均。在浆液速度v=3m.s-1时,液相和固相的速度有一定的速度差,随着入口速度增大,速度差变小;当浆液速度v=7m.s-1时,固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同,两者之间的滑移速度可以忽略。计算结果与传统经验公式的比较表明模型能有效地描述环管反应器内压力降和反应器内浆液流动形态。     

铅铋合金中颗粒物对弯管的冲蚀研究

基于流体力学理论研究液态铅铋合金(LBE)中颗粒物对管道壁面的冲蚀作用,采用Fluent中的离散相模型(DPM)对管壁的冲蚀进行数值模拟研究.结果表明,弯管角度和颗粒粒径等对管壁的冲蚀磨损影响较为显著,而温度对冲蚀的影响相对较弱.流动铅铋合金对弯管的冲蚀较为严重,直管段冲蚀较弱.当铅铋合金中夹杂的颗粒物粒径较小(100μm)时,对弯管的冲蚀较弱,大粒径颗粒(100μm)的冲蚀速率则迅速增加.     

浓相气力输送分支管道分流特性的数值模拟

基于Fluent软件,采用Euler-Euler两相流研究方法和RNG k-ε湍流模型及SIMPLE压力速度耦合计算方法,充分考虑颗粒间碰撞和气固两相相互作用,对3种不同几何结构的分支管内,颗粒体积分数为10%的浓相气力输送过程进行数值模拟。模拟结果显示:气固两相的速度和动压在流经分支处后都减小,且在分支处都呈现出分支内侧比外侧大的现象;分支处固相在分支内侧聚集较多;管道初始部分和分支外侧气固两相出现较大的湍流;同时随着其中一分支管与主管夹角的增大,该分支内侧两相速度、动压值和固相含量都逐渐增大,外侧湍流逐渐增强、范围逐渐变广。     

竖直上升管的煤粉密相气力输送阻力特性的实验研究

煤粉密相气力输送是气流床煤粉气化工艺中的关键单元技术。通过实验室装置(管径20,50mm)和半工业化装置(管径42mm)的煤粉密相气力输送竖直上升管压降测试,建立了可用于煤粉密相高压气力输送竖直上升管道的压降预测模型,总体偏差在±20%以内,可满足工业装置设计和优化操作的需求。固相静压降占总压降比例达35%~70%,体现了高浓度输送特性;且在管径一定的条件下,与固相弗洛德数近似成线性关系。在固相弗洛德数和管径一定的条件下,可通过竖直上升管压降估算出相应的固相质量流率,从而为工业装置上煤粉质量流率在线测定提供一定的参考。     

水平弯管内气固两相流的试验研究与数值模拟

在低压浓相气力输送试验系统中,采用石膏粉为输送物料,进行水平弯管气力输送试验,并采用ANSYS软件对水平弯管气力输送进行数值模拟。通过试验,得出弯管的压力降随弯曲角度的增大而增大、随曲率半径的增大而减小的变化规律,并拟合出压力降与各输送特性参数之间的理论关联式;模拟结果显示,随着弯曲角度的增大,弯管内侧与外侧的压强之比愈来愈大;固相与气相的分布梯度更加明显,固相偏向外侧,气相偏向内侧,呈现更加复杂的紊流。     

清水压裂中支撑剂输送沉降行为的CFD模拟

清水压裂技术具有成本低、对地层伤害小等优点,在页岩气等致密气藏开采中得到广泛应用,压裂过程中的湍流效应、颗粒间及颗粒与壁面的相互作用等是影响支撑剂输送沉降行为的重要因素。针对传统支撑剂沉降计算方法没有考虑流固、固固间双向耦合的缺点,建立了欧拉–欧拉两相流模型研究支撑剂在清水压裂过程中的输运沉降行为,模型考虑了流动的湍流效应、高浓度下颗粒间的摩擦应力,并利用Johnson–Jackson边界条件考虑颗粒与壁面间的作用。利用该模型研究了不同进口速度及位置、砂粒密度等参数条件下平板裂缝中压裂液与支撑剂的两相流流动,模拟结果与实验符合度较高,验证了模型的有效性。同时文中也讨论了这些参数对支撑剂输送沉降规律的影响。     

可压密相气固两相湍流流动的数值模拟方法

在ＤＩＰＳＡＲ算法的基础上,推导了适用于可压密相气固两相湍流流动数据会计的ＣＤＩＰＳＡＲ算法,利用提出的可压密相的两个ｋ－ε低湍流雷诺数模型,用ＣＤＩＰＳＡＲ算法,对竖直上升管中可压密相气固两相湍流流动进行了数值计算,同时考虑了密度变化和体积分数变化的影响,研究结果表明,随着颗粒体积分数的增加,颗料间及颗粒与壁面间的相互作用占了主导地位,使得单个颗粒脉动速度增大,但是气体及颗粒的速度差却随之减小,     

利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动

建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒壁面碰撞模型．该模型包括壁面摩擦、恢复、特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素，因此体现了壁面上各方向Reynolds应力之间的相互转化、湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用，给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响．将本模型应用于气粒两相水平槽道流动并用PDPA测量结果验证，结果表明，当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果，本模型则给出比较符合实际的结果．     

高压浓相变粒径煤粉气力输送阻力特性

在自主设计的高压浓相气力输送系统上进行不同粒径的煤粉气力输送试验研究.在对试验系统进行准确性和稳定性分析的基础上,分别在不同的输送压力、煤粉粒径和输送速度等条件下进行输送试验,考察操作参数和煤粉物性对各管段的压损、局部阻力特性及输送气体品质的影响规律.结果表明:随着输送速度的增加,各管段压损先减小后略有增大;在相同的质量流量和输送压力下,随着煤粉平均粒径的增大,压损逐渐增大.在输送速度和固气比保持不变的条件下,随着压力的升高,输送气体的输送能力增强,压损逐渐降低,△Pv-△Ph逐渐减小.随着表观速度的增加,弯管局部阻力先减小后变化平缓;在相同表观速度下,煤粉粒度越大,局部阻力值越高;弯管当量系数K与输送速度、固气比无关,与煤粉粒径,输送压力相关;随着粒径的增加,弯管当量系数K先增大后减小.     

固-液两相流充填管道输送冲蚀磨损数值研究

 为探究充填管道在输送过程中的冲蚀磨损机理, 基于工程流体力学理论及颗粒输送力学模型, 引入离散颗粒轨道模型、塑性冲蚀磨损模型, 对某矿山复杂充填管路条件下浆体特性对管道冲蚀磨损影响进行研究。结果表明, 浆体流速、黏度以及颗粒尺寸对管道冲蚀磨损影响显著, 颗粒形状影响较弱。高流速下, 弯管磨损最为严重, 直管段磨损较轻且分布较为均匀, 流速降低, 主要磨损部位偏向弯管出口部位;弯管部位最大磨损值在15°~30°以及60°~75°之间;此外, 粒径较小时, 磨损严重程度随粒径增加而增大, 粒径达到600 μm 后, 最大磨损值随粒径增加呈现下降趋势。     

加压粉煤气力输送试验研究

通过建立加压粉体气力输送试验系统并进行加压粉煤气力输送试验,重点考察了表征气速、输送背压和粉体流量对管道压损的影响。结果表明:不同输送背压和粉煤流量下,粉煤加速压降、垂直到水平弯管、水平到垂直弯管和水平弯管压损与粉体流量Gs和表征气速Ug的乘积呈近似线性关系,其中水平到垂直弯管压损随GsUg变化最大;水平、垂直和倾斜管段附加压损随着表征气速的增加而逐渐减小,粉煤流量比输送背压对附加压损影响更大;附合压损系数是Re、Fr和气固比μ的函数,通过拟合得到的附加压损公式和总压损公式的预测值也与试验值吻合均良好。     

恒壁温条件下水平管内气固两相对流传热

对恒壁温加热条件下水平管内空气-煤粉混合物的两相对流传热进行了数值模拟和试验研究。数值模拟结果表明：壁面总传热量和壁面与固体粉末间的传热量都随着固相颗粒直径的增大而减少、随着煤粉体积率的增大而增大,而固相颗粒直径和煤粉体积率对壁面与气体间的传热量的影响不大;对流传热的Nusselt数（Nu）随着Reynold数（Rem...     

基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀

水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势,应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂,管道内流场变化规律不清,出砂现象严重,在发球过程中会出现高流速,易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统,应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)的方法进行流场计算及冲蚀分析。结果表明,管内流速分布不均,弯管与T形管区域存在偏流;气液两相分布较为均一,但在竖直管段存在积液。对比冲蚀模型的计算结果,发现Generic与DNV模型计算结果相对准确;颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含液区域或气液界面处,且竖直管段的冲蚀速率比水平管段更大;当颗粒含量为10×10^-6 kg/m³时,颗粒直径为100μm时,最大冲蚀速率为0.21 mm/a;最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大;且随着砂粒直径的增大,冲蚀区域愈趋向集中。管内流速高,长时间运行时冲蚀现象严重,需加强关键冲蚀区域的防护措施,提高腐蚀裕量,以保障管汇系统的安全运行。     

气力输送的数值模拟研究

对气相湍动能采用修正的κ-ε二方程模型,颗粒相湍动动能采用颗粒动力学方法,发展建立了气力输送的数学物理模型和计算方法,就垂直管中圆柱坐标系下二维悬浮稀相和密相动压气力输送过程进行了初步数值研究,所得结果(包括管压降、气固速度分布、一定输送量下最佳经济速度等)与文献实验结果吻合,为进一步用该法研究气力输送打下了基础.