弯管中液固两相流模拟~VIP专享VIP免费

第37卷第3期河北工业大学学报2008年6月Vol.37No.3JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYJune2008文章编号：1008-2373(2008)03-0048-07弯管中液固两相流及壁面碰撞磨损的数值模拟张少峰，曹会敏，刘燕，高聪（河北工业大学化工学院，天津300130）摘要利用Eulerian-Lagrangian混合模型对弯管内液固两相流在低浓度（初始体积分率为3%~8%）运行时壁面磨损过程进行了数值模拟．计算了流场中湍流速度及压力的分布，并对不同角度弯管壁面处的磨损率进行了预测和比较．模拟结果表明：在弯管为90°时，颗粒分布最为理想，最大磨损率出现在弯管中心角40°~60°的范围内，即该区域固粒对壁面的碰撞频率和强度最大．该结果为弯管内多相流防、除垢技术的工程设计提供了一定的指导作用．关键词液固两相流；碰撞磨损；颗粒分布；弯管；数值模拟中图分类号TQ021.1文献标识码ANumericalSimulationofLiquid-solidTwo-phaseFlowandErosion-collisioninaSyphonZHANGShao-feng，CAOHui-min，LIUYan，GAOCong(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)AbstractErosionduetoparticlesofliquid-solidtwo-phaseflowforlowconcentration(meansolidconcentrationbyvol-ume3%~8%)inacurvedductisnumericallystudiedusingthemixedEulerian-Lagrangianmodel.Theturbulentflowvelocityandpressuredistributionarecalculated,aswellastheerosionratesofdifferentanglesofthecurvedductarepre-dictedandcompared.Thenumericalresultsshow:Theparticledistributionof90°bendpipeisoptimal,themaximalerosionratepresentstotherangeof40°~60°whichistheseriousregionofthecollisionfrequencyandintensity.Itprovidesadirectionfortheengineeringdesignoftheparticlesonfoulingpreventinginmultiphaseflow.Keywordsliquid-solidtwo-phaseflow；erosion-collision；particledistribution；curvedduct；numericalsimulation0引言液固两相流碰撞磨损在工业上具有广泛的背景．它广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门，已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一[1-3]．液固两相流化床内由于颗粒在床层中激烈搅动，颗粒与颗粒之间、颗粒与反应器壁之间相互碰撞，反应器内壁不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损，而液固流化床换热器的防、除垢性能与颗粒对壁面的碰撞磨损特性密切相关，因此预测液固两相流化床中固粒对壁面磨损问题是非常必要的．目前已经有学者对液固两相的磨损机理进行研究，但是对弯管液固流化床内的碰撞磨损规律研究还比较少．本文建立了在低浓度弯管内液固两相流欧拉-拉格朗日混合模型，初始体积分率为3%~8%，给出了壁面磨损模型，利用这些模型可以模拟颗粒在弯管中的运动轨迹及预测颗粒对壁面的磨损量．1运动方程1.1流体相运动方程假设液固两相循环流化床内液体流场的时均运动为连续、不可压牛顿流体稳态流动，管内流动为各收稿日期：2008-02-09作者简介：张少峰（1965-），男（汉族），博士，教授．49张少锋，等：弯管中液固两相流及壁面碰撞磨损的数值模拟第3期向同性．液固两相湍流流动的三维平均微分方程在笛卡儿坐标系（,,）中的通用形式可表示成+++=+++(1)式中：为流动参数代表值；为源项，为湍流扩散系数，他们在方程(1)中的值详见表1．此通用方程可以采用Patankar[4]提出的SIMPLE算法进行数值求解．表1与式（1）对应的-模型的控制方程Tab.1GoverningEquationsof-ModelforEquation(1)方程扩散系数源项连续100-动量=+++++-动量=+++++-动量=+++++湍动能++耗散能+12注：=22+2+2++2++2++2为湍流粘度，=2；、1、2、、为模型常数，=0.09，1=1.44，2=1.92，=1.0，=1.31.2颗粒相运动方程颗粒的运动在Lagrangian坐标系中考虑，颗粒沿其自身的轨道运动，在流动过程中，颗粒在场中受到曳力、压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、Saffman升力、Magnus升力和重力等力的作用，因此颗粒将沿轨道发生速度变化，在沿其自身轨道运动时，对水流造成了分布于整个体积的物质源、动量源．对每个单颗粒求解运动控制方程dd=(2)式中：为颗粒的质量...