（工程热物理专业论文）圆管入口温度突变影响管外壁温度的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 现今，国内电站特别是中间储仓式热风送粉锅炉较多采用基于热量平衡原理 的煤粉浓度间接测量方法。该方法采用热敏元件插入法测量一次风风温、煤粉温 度和风粉混合物温度。当采用插入式温度测量方法时，普遍存在热敏元件对流场 的扰动和管内流体对热敏元件的磨损问题。针对此实际情况，本文对能否用管外 测温法来代替热电偶插入式温度测量法进行了研究。通过计算得到管内断面平均 温度与管外壁温度之间的关系，以及当入口温度发生突变时，它们随时问的响应 关系。 首先建立了一次风管的物理模型，根据其实际流动传热情况作相关假设建立 数学模型，采用标准k f 方程模型作为湍流计算模型，并用实验数据予以检验模 型的可行性。 对一次风管不同入口温度分别进行了计算，得到管内断面平均温度与管外壁 温度的关系曲线，并拟合出它们的关系式。对入口温度发生突变的情况进行计算， 得到管内温度和管外壁温度随时间的响应关系。 其次建立了风粉混合管的物理模型，根据其实际流动传热情况选用随机轨道 模型进行计算。对不同入口颗粒流量进行了计算，得到入口颗粒流量与管内颗粒 浓度、管道总压降、管内颗粒速度、管内断面平均温度和外管壁温度之间的关系。 计算得到某颗粒流量下管内断面平均温度和外管壁温度沿管长的变化以及入口温 度发生突变后，管内断面平均温度和外管壁温度随时间的响应关系。 关键词：一次风管，风粉混合管，入口温度，管外壁温度，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n o w , p o w e rp l a n t se s p e c i a l l yt h ep r i m a r ya i rd e l i v e rb o i l e r sw i t hs t o r a g ep o w d e r m a n u f a c t u r i n gs y s t e mu s u a l l yu s ei n d i r e c tp u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t b a s e do ne n e r g yb a l a n c et h e o r y t h i sm e t h o du 瞄t h e r m i s t o ri n s e r tm e a s u r e m e n tt o m e a s u r et h ep r i m a r ya i rt e m p e r a t u r e 、p u l v e r i z e dc o a lt e m p e r a t u r ea n da i r & c o a l - p o w e r m i x e dt e m p e r a t u r e t h et h e r m o c o u p l ed i s t u r b a n c et of l o wf i e l da n dw e a ra n dt e a ro f t h e r m o c o u p l ep r o b l e m sa r eu b i q u i t o u sw h e nu s et h et h e n n o e o u p l ei n s e r tt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es i t u a t i o ni fc a n u s e t h eo u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt or e p l a c et h e r m o c o u p l ei n s e r tt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n to rn o t t h r o u g hn u m e r a t i o n , g e tt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es e c t i o nm e a n t e m p e r a t u r ea n do u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r e ，a n dg e tt h ec h a n g e so ft h es e c t i o nm e a n t e m p e r a t u r ea n do u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r ea g a i n s tt i m ew h e nt h e i n l e tt e m p e r a t u r e c h a n g e s i nt h ef i r s t ，t h i sp a p e rb u i l d su pt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ep r i m a r ya i rp i p e ，o nt h e b a s i so fa c t u a lf l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ep i p e ，b r i n g sf o r w a r dt h eh y p o t h e s i z e sa n d b u i l d su pt h em a t hm o d e l i nt h em a t hm o d e ls t a n d a r dk 一占t u r b u l e n tm o d e li s e m p l o y e d ，a n dt h i sm o d e li sc h e c k e du pb yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ep a p e rs i m u l a t e sd i f f e r e n ti n l e tt e m p e r a t u r e so fp r i m a r ya i rp i p e ，g e t st h e r e l a t i o nc u r v eo ft h es e c t i o nm e a nt e m p e r a t u r ea n do u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r e ，a n da l s o f i t st h ee x p r e s s i o n s i m u l a t et h ep r i m a r ya i rp i p ew h e nt h ei n l e tt e m p e r a t u r ec h a n g e s ， g e tt h ec h a n g e so ft h es e c t i o nm e a nt e m p e r a t u r ea n do u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r ea g a i n s t t i m e s e c o n d l y , t h i sp a p e rb u i l d su pt h ep h y s i c a lm o d e lo fa i r c o a l - p o w e rm i x e dp i p e o nt h eb a s i so fa c t u a lf l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ep i p e ，u s e st h ep a r t i c l es t o c h a s t i c t r a j e c t o r ym o d e lt on u m e r a t e s i m u l a t ed i f f e r e n ti n l e tf l o wr a t e , g e t st h er e l a t i o n b e t w e e nt h ei n l e tf l o wr a t ea n dt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 、t h et o t a lp r e s s u r ed r o p 、t h e p a r t i c l ev e l o c i t y 、t h es e c t i o nm e a nt e m p e r a t u r ea n dt h eo u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r e g e t t h es e c t i o nm e a nt e m p e r a t u r ea n dt h eo u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r ea l o n gt h ep i p ea tc e r t a i n f l o wr a t e ，a n dg e tt h ec h a n g e so ft h es e c t i o nm e a nt e m p e r a t u r ea n do u t s i d ew a l l t e m p e r a t u r ea g a i n s tt i m ew h e n t h ei n l e tt e m p e r a t u r ec h a n g e s k e y w o r d s ：p r i m a r ya i rp i p e ，a i r & c o a l - p o w e rm i x e dp i p e ，i n l e tt e m p e r a t u r e ，o u t s i d e w a i lt e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蹯云云签字日期：毒。占年j a 月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭盘堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：痔云云 签字日期：拗6 年m 月4 日 导师签名： 饰v 签字日期：刎自年) 月牛日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景和意义 现今，国内外众多大中型电厂里使用的煤粉锅炉中，锅炉送粉管道内的煤粉 浓度是一项非常重要的参数，它将直接影响喷射进炉膛中的煤粉浓度，从而影响 锅炉的燃烧状况。特别是一些大型锅炉，普遍采用了多层四角直流喷射技术，若 各层、各角喷射的煤粉浓度差异较大、分布极不均匀，且不能加以控制，则很容 易引起炉膛火焰中心偏斜，炉内热负荷不均匀，产生局部水冷壁超温、结焦的现 象，形成安全隐患，同时还会引起过热器和再热器的热偏差。因此，准确、可靠 地在线测量煤粉浓度，对提高锅炉燃烧稳定性、经济性及可靠性都有很重大的意 义。 国内电站特别是中间储仓式热风送粉锅炉较多采用基于热量平衡原理的煤粉 浓度间接测量方法。在电站煤粉锅炉中普遍采用热敏元件插入法测量一次风风温、 煤粉温度和风粉混合物温度，采用测速管插入热风管测量一次风的风速，用能量 平衡法测量风粉混合物管道内的煤粉浓度。当采用插入式温度测量方法时，普遍 存在三方面的问题：其一是插入式热敏元件对流场的扰动；其二是管内流体对热 敏元件的磨损，主要体现在风粉混合物管内的热敏元件的磨损上；其三是插入式 测量温度的方式所得到温度只是局部非热平衡平均温度，即不是管内的最高温度， 也不是断面混合平均温度。因此，本文对能否用管外测温法来代替热电偶插入式 温度测量法进行了研究。 1 2 湍流的数值模拟 1 2 1 湍流模拟的方法 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动，在湍流中流体的各种物理参数：如 速度、压力、温度等都是随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上，可以把 湍流看成由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方 向分布是随机的”“，一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然实用”“。不过，只有在雷诺数比较小时，才有可能 对湍流作精确的数值模拟。当雷诺数增大时，大小涡旋的尺度比迅速增加，所需 要的计算机容量很快超过在最近的将来最大的计算机所能达到的容量。而且，在 工程实际中，对瞬时流场不感兴趣，甚至对大尺度湍流的精确数值模拟也不太注 重。因此，在工程实际计算中发展了各种不同的湍流计算方法。 关于湍流运动与换热的数值计算，已经采用的数值计算方法可以大致分为以 重庆大学硕士学位论文1 绪论 下三类僦”： 完全模拟：是用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程来对湍流直接计算的方法。结 果误差仅仅是一般数值计算所引起的那些误差，并且可以根据需要而加以控制。 但是要对高度复杂的湍流运动进行直接数值运算，必须采用很小的时间与空间步 长，即对计算机的内存要求相当高。 大涡模拟：用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡，不直接计 算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，这种数值计算方法仍然 需要比较大的计算机容量。 r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程法：将非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程做平均，在所得 到的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所 得方程的个数就小于未知量的个数。要使方程组封闭，必须作出假设，建立模型。 r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程法在近代几乎被采用，针对湍流流动的r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程组，组成的控制微分方程组为： 连续性方程： 罢+ 姜( p 巧) = 0 ( 1 1 ) 动量方程： 昙c 面+ 毒c 雨= 一詈+ 考胁c 等+ 务 专而一静每门力 其它变量方程：昙( 砌+ 考( 厕= 考“静一寿( 厕+ s ( 1 3 ) 在上述r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程组中，二次项在时均化处理后产生包括脉动值 的附加项。实际上，湍流脉动值附加项的确定是r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程组的核心 内容，所谓湍流模型就是把湍流的脉动值的附加项与时均值联系起来的一些特定 关系式。 早在1 8 7 7 年，b o u s s i n e s q 就提出假设：湍流脉动所造成的附加应力也与层流 那样可以与时均的应变率关联起来1 。即： 一e u j u ；= 以( 鼍+ 挚一詈n 磊 ( 1 4 ) 一 。以蔷+ 石一一j n 一而：丝箬 ( 1 5 ) 。 o m j 在引入b o u s s i n e s q 假设以后，计算湍流流动的关键在于如何确定湍流粘性系 数从，但是湍流的机理很复杂，很难把它们归结在一个湍流粘性系数内。因此， 人们继续对湍流作深入的研究，不断构造出更加精细的模型，从而提出了湍流的 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 各种理论。在2 0 世纪5 0 年代以前，出现了包括p r a n d t l 的混合长度理论阻1 ，t a y l o r 的涡量转移理论州。v o nk a n t i a n 的相似理论等：而这些理论的基本思想都是建 立在r e y n o l d s 应力模型的基础上的。在6 0 年代中期以前，有诸如k o l l m o g o r o v , 周培源，r o t t a 和d a v i d o v 等科学家发展了湍流理论1 那习，在6 0 年代以后， s p a l d m g m l ，l a u n d e r “1 构造出k - s 模型，d o n a l d s o n “1 提出了采用二阶统计矩模 型等。 1 2 2 湍流模型 在引入b o l l s s i i l e s q 假设后，计算湍流流动的关键在于如何确定湍流粘性系数， 由此提出了各种计算模型。最具有代表意义的模型有零方程模型、一方程模型、 两方程模型、多方程模型、雷诺应力方程模型等o ” 零方程模型( 混合长度模型) 最早的湍流封闭方法是1 9 2 5 年p r a n d t l 提出的，直接对r e y n o l d s 时均方程组 中的“ ：用时均量进行模拟，加以封闭，称为混合长度模型，也叫代数方程模型 或零方程模型。该模型是由两个类比的简单物理设想出发的。 层流粘性与湍流粘性的类比 ：昙肚；以；尸萨严 ( 1 6 ) l 混合长度 时均运动与脉动的量纲类比： 糕= 筹君灸害， 由此得到： 计，l m = 矧 ( 1 7 ) 由以上两个类比，得出混合长度模型的湍流封闭代数表达式( 边界层问题中) 麒= 彬剖 ( 1 8 ) j 哕l 这一封闭模型的特点是直接用平均量梯度代数式来模拟雷诺时均方程组中 未知的应力或热流物质流关联项，这一模型中的则由实验或直观判断加以确 定。 混合长度模型的优点是直观、简单，无须附加湍流特性微分方程，因而实用 于简单流动如：射流、边界层、管流、喷管流动等。 但是模型有显著缺点，按此模型在l 譬l 卸处必然是湍流粘性系数为0 ，或剪 f 砂i 切力、热流、扩散流均为0 ，这与实际不符合。另外，只有简单流动中才能给出 的表达式。对复杂流动如拐弯流动或后向台阶流动，很难给出，。的规律。 一方程模型( 湍流动能方程模型) n 7 8 1 重庆大学硕士学位论文1 绪论 湍流脉动是一种能量，是总体动能( 时均动能加脉动动能) 的一部分，因而服从 一般输运定理或守恒定理，即有其对流、扩散、产生及耗散。 k o l m o g o r o v ( 1 9 4 2 ) 和p r a n d t l 曾分别提出由求解湍流特性( 包括湍能) 的微分方 程来确定湍流粘性，要使方程封闭，须用模拟假设使三阶关联项降阶，并使二阶 关联项表达为平均量的函数，这里的基本思想是用梯度模拟。因此，模拟后的k 方程为： 昙c 舭毒c 而，= 毒c 箦毒+ q + q 嘞p 竽 ( 1 功 其中： 以= + 鸬，鸬= 气肚足，g i = 鸬( 詈+ 挈羞，g = 一詹t 百z , 瓦o t 然而，在单方程模型中，仍然需要由经验式给定。 单方程模型优于混合长度模型之处是克服了后者的不足，考虑了湍能经历效 应( 对流) 及混合效应( 扩散) ，因而更合理，对简单流动，可以给出表达式，但对于复 杂流动，难以给定。 七一占两方程模型 湍流由各种不同尺寸的涡团组成，大涡团是含能涡团，小涡团是耗散涡团。 由于各种涡团尺度在流场中有对流、扩散、产生及耗散，对湍流尺度l 推出的输运 方程经过推广，s p m d m g 、l a u n d e r 总结出一个广义的第二参量z = 七“z 。，并给出一 般形式的z 方程： 昙( 肛) + ( 。：) ：( 生刍+ 巳 ( 1 1 0 ) o i id z i 其中不少学者对推荐的z 归结于表1 1 中。 表1 1 各类两方程模型 符号z = k “，。提出者双方程 f k m l k o l m o g o r o v k - f 占k l周培源| i 一占 ll r o d i ，s p a l d i n g l c - 1 k 1k i n g ，s p a l d i n g k 1 1 wk s p a l d i n g k - w 其中，七一两方程模型的应用及经受的检验最为普遍。在七一占两方程模型的 进一步简化中，将雷诺应力直接用推广的b o u s s i n e s q 涡粘性模型来表示： 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一而鸹c 鼍+ 净7 2 岛，, u t = , o c j , k 2 。 占= 告筹 采用n s 方程以及雷诺方程，设湍流各向同性。k 一两方程模型流动的基本 方程组表示为： 连续性方程： 百a p + 瓦8 ，) = o ( 1 1 1 ) 动量方程： 昙( m + 苦( 脚一) 一考+ 考眦( 筹+ 静卜店， ( 1 坦) 能量施昙( 抄- f ( p = 卯= 考【等簪 ( 1 1 3 ) k 方程： 昙( 肪) + 毒( 力2 专哮专) 】+ ，t + n 一声 ( 1 ，4 ) 占方程： 昙( 店) + - 考j ( p u 2 考哮( 寺】+ 昙“q 一岛删 ( 1 1 5 ) 其中： 舻，p k ：从( 挈+ 挈) 挈，p b ：一触t 丝i c a t i吼f to t l c ，c 1 ，乞，o r k ，盯，为经验常数。 k s 两方程模型多年来已得到广泛的应用，大量的预报及其与不同实验的结 果对照表明，k - s 两方程模型可以完全或基本上成功地用于以下情况： 1 ) 无浮力平面射流 2 ) 壁面边界层 3 ) 管流、通道流或喷管内流动 4 ) 无旋及弱旋的二维及三维回流流动 k 一占两方程模型用于以下情况则遇到很大的问题，或者说不成功： 1 ) 强旋流 2 ) 浮力流 3 1 重力分层流 4 1 曲壁边界层 5 ) 低雷诺数 6 ) 圆 r e y n o l d s 应力方程模型 实际上不少湍流流动甚至简单的湍流边界层流动中，湍流都是各向异性的， 脉动往往在某一主导方向上最强，而在其它方向上最弱。因此，湍流粘性系数是 张量而不是标量。由各向异性的前提出发，如果不用b o u s s i n c s q 表达式及湍流粘 性系数的概念，可以直接封闭和求解r e y n o l d s 应力“- ：的输运方程，计算这些应 重庆大学硕士学位论文1 绪论 力分重，就是r e y n o l d s 胜力万程俣型，也u q 一彤r 封刚俣型。忍峪分于捅还，则稷 拟完整的r e y n o l d s 应力方程”】为： 争磊葡+ 毒厕= 毒【c j p 喜瓦不毒虿动1 妻p ( 石丽一；气d ( 1 - 6 ) 一c ：( p u 一亏q ) 一岛( 岛一亏岛g ) 一亏毛声+ p p + g u 昙( p z - ) + 毒厕= 毒p 孝乏不苦z 而一p 而署+ z 7 鼍) ( 1 7 ) 飞而j t 一9 鼹而瓮p 鼹 昙( 彳一) + 毒( 厩两= 去 c r ，户喜瓦承毒两一z 啊薏一去f 妻 ( 1 t s ) 昙( 店) + 毒( p 承) = 毒【p 妻五飘毒七) 】+ g i + g 一声 ( 1 1 9 ) a ( p c ) + 丢( 面为= 毒k p 喜石j 岳明+ 昙( g + 皖) ( 1 + 墨) 一巳：p 譬( 1 2 0 )m - 僦。 s c d c i k 表1 2 通用常数表 t a b l e l 2g a 删c o n s t a n t c jqc 2 c 3 c l rc 2 7 巳r o 2 43 2o 5 5o 5 54 0o 5o 5 r c pe lc a 2c f 3 c j r 白 o 8o 1 52 4 42 9 2o 8o 1 lo 1 3 1 3 管内气固两相流数值模拟 两相或多相流体力学的主要研究对象是该系统的流动、传热、传质、化学反 应、电磁效应等，其中十分重要的是相与相间的质量、动量和能量的相互作用规 律。对于工程中常遇到的湍流两相或多相而言，相与相间湍流脉动的相互作用又 是其中核心问题之一【2 2 】【2 3 1 。 研究两相或多相流动有两类基本上不同的观点：一类是只把流体作为连续介 质而把颗粒作为离散体系，探讨颗粒动力学，颗粒轨道等；另一类是除流体作为 连续介质外把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，设其在空间中有连续的速度和温 度分布及等价的输运性质( 粘性、扩散、导热等) 【2 5 1 。八十年代中期开始探讨综合 离散与连续介质两类处理方法的观点【2 6 j 。 早期的研究内容多半是研究已知流场中颗粒的受力及运动，忽略颗粒对流场的 作用。近代两相或多相流体力学特点之一就是全面考察相间质量，动量与能量的 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相互作用。早期的研究方法局限于运用经典流体力学中解析研究法( 相似解，摄动 法等) 及实验中探针测量法【2 7 1 。近二十年来则引入了大型计算机数值模拟及激光测 量的研究方法，使人们对实际装置内两相或多相流规律有了更确切更深入的认识。 很早以前，工程师们就对气体固体两相流动发生兴趣并进行了长期研究，由于 气体，固体两相流动的复杂性，大部分的研究是经验性的。气固两相流动的实验 研究方法很多，近年来也成功地应用了激光多普勒技术对气一固两相流动进行了 实验测试工作，但由于多相流动的复杂性，目前还没有普遍采用的简易、低成本 的测试仪器1 2 引。7 0 年代才发展了解析的处理办法，但也只适于一些特定情况，尚 未找到概括性的一般性的解析方法。有些研究人员也已经提出了用数值计算进行 求解的方法。近十年来，多相流动的数值模拟有了很大发展。其方法大致可以分 为两类：一类是连续介质模型；另一类是分散相颗粒轨道模型【2 9 】。 1 3 1 气固两相流的基本概念卸删删 气固两相浓度 气固两相流动的主要特性为气固两相浓度。设颗粒容积为，重量为睨，重 量流量为g ，密度为万，；流体容积为名，重量为，流体的重量流量为g 暑，密 度为p 。则以总容积来表示为： 。c = 专 ( 1 2 1 ) 如以流体容积表示的容积浓度： 一 矿 c ，= 孑 ( 1 2 2 ) 矿 类似地就可得出两个重量浓度的定义： m c w = 矛两r r p ( 1 一 c 。= ( 1 2 4 ) e 。 气固两相流中颗粒的受力情况非常复杂，主要受到阻力、重力、浮力、压力梯 度力、虚假质量力、b a s s e t 力、m a g n u s 升力和s a f f m a n 升力等的作用。 两相流动中若颗粒与颗粒间相互贴紧，则其容积浓度将达到最大值。对大小均 匀的球形颗粒，当紧密排列成四面体时，能够达到的最大容积浓度为o 7 4 ，紧密 排列成立方体时为o 5 2 ，对随机排列的均匀球体，其容积浓度均为o 6 2 。当颗粒 为分散相时，由于紧密排列的大颗粒之间能填充一些小颗粒，故最大容积浓度可 能会大些。 7 重鏖查兰堡主兰垡丝奎上j ! l 羔 对颗粒浓度很高的气固混合物或多相流中常用到空隙度s 的概念，其定义为流 体所占的体积与整个多相流体的总体积之比，即， 一毒= 警小g m 2 s ， 气固两相流密度 设多相混合物的总容积为，其质量为m 。，颗粒在混合物中占的分容积为 圪，流体在混合物中所占的分容积为匕，质量为吖。，则 - ，：等瓦= 告 ( 1 2 6 ) 分别是固体颗粒和流体的物质密度，也叫真密度而 矿鲁旷鲁 2 乃 分别是颗粒相和流体的表现密度，又叫分密度 两相混合物的密度以定义为 成= 争= 兰韦兰= 乃+ 以 ( 1 2 8 ) 气固两相流的粘度 一般来讲，气固两相流的粘度将比单相流体的粘度有不同程度的增大气固 两相流的粘度，特别是在固体颗粒浓度较高时，一般与剪切率有关。但在固体颗 粒浓度不太高时，气固混合物的粘度一般可认为仅与固体颗粒的浓度有关，一般 可采用f b a m c a 提出的关联式进行计算： 告= 唧警一p 鼍 j l 一占 l r 或e i n s t e i n 公式计算： 生：一1 + 0 5 c ， 心 ( 1 一q ) 2 ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) 当颗粒浓度较低时，可简化为： 丝：1 + 2 5 c , ( 1 3 1 ) z 。 气固两相流的比热和导热系数 两相流动的的定压比热和定容比热一般可按颗粒相和流体相的重量百分比平 均： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 = g + ( 1 一o ) c v = g + ( 1 一g ) ( 1 3 2 ) ( 1 3 3 ) 式中c 印及g t 分别为颗粒和流体的定压比热，而及c v g 为颗粒和流体的定容比 热。 两相混合物的比热比为 ，；鲁：丽c 印c w + c p s ( 1 - c w ) 婚熹 m 3 4 ， 。g + ( 1 一g )1 + r l 占 、7 式中，k = c 心c k 及万= c 是相对比热，因为颗粒相c p p = c v p = c ( 即为比 热) 。在上式中k 和艿是常数。然而g 不是常数，于是，除了平衡流动或具有恒 定的速度比“，u 。的定常流动这些特殊情况以外，不是流动的一个恒定参数，从 上式的第二个形式可以看出，总比足小，并且与颗粒浓度无关。 很明显，如果c ，大于0 8 后，迅速接近于i 。而，= i 的流动是等温流动， 因此把重量浓度大的气固两相流作为等温流动。这个流动的性质是由于颗粒的热 容量很大，以致混合物的膨胀或压缩形成的气体温度变化能够从颗粒的热交换来 补偿。而不至于影响颗粒和混合物的温度。这样，在处理高重量浓度的混合物流 动肘，可使分析大大简化。 根据f j w a s p 的建议，两相流体的导热系数以可用下式计算： 九：以l 2 x , + x p - 嗤2 c l v0 1 - 一2 0 ) 【2 以+ 以+ 嵩( 以一以) ( 1 3 5 ) 式中a 。及a 。分别为颗粒和流体的导热系数。 1 3 2 管内气固两相流的流型 颗粒在输送管道内的运动是很复杂的。在垂直向上的输送管道中，颗粒主要 受到气流向上的推力作用。如果气流的推力大于颗粒的重力，或者说，气流的速 度大于颗粒的沉降速度时，颗粒会被气流带走。颗粒在输送管道中，由于输送气 流处于湍流状态，气流除有轴向速度外，还有湍流的脉动分速度。又因为颗粒本 身的形状是不规则的，颗粒受到不均匀的推力会产主旋转，这些情况都会使颗粒 受到各种力( 如浮力、m a g n u s 效应、s a f f i n a n 升力等等) 的作用1 3 ”。另外颗粒在运动 中，颗粒相互之间或颗粒与管壁之间的碰撞，使颗粒在垂直输送管道中不是直线 上升的，而是呈不规则的螺旋上升运动。这样会使颗粒在垂直输送管道中形成分 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 布比较均匀的流动型式。在水平输送管道中，颗粒受的重力方向与气流方向垂直， 空气的动力对颗粒的悬浮不直接起作用。因此，在水平管道中，颗粒的悬浮是紊 流分速度、浮力、s a f f m a n 力和m a g n u s 效应等因素形成的。各种流型的出现，与 气固比、空气速度、管径、管长、颗粒的材料和大小等很多因素有关 3 5 1 ”l 。 流型主要是随气流速度及气流中所含物料量的不同而发生变化。从现象来看， 有悬浮运动和集团( 塞状) 运动两大类。而悬浮运动又可分为均匀流、管底流、疏密 流等，集团运动则又分为集团流、塞状流、部分流。 通常，当管道内气流速度很快而物料量又很小时，物料颗粒基本上接近均匀分 布，并在气流中呈完全悬浮态前进，此时称为均匀流。随着气流速度逐渐减小， 物料量有所增多，作用于颗粒上的气流推力也就减小，使颗粒移动速度相应减慢， 加上颗粒间可能发生碰撞，部分颗粒逐渐下沉接近管底，物料分布变密，但所有 物料仍然前进，此时成为管底流。气流速度再小时，可以看到颗粒或层状沉积在 管底，这时气流及一部分颗粒在它的上部空间通过。在沉积层的表面，有的颗粒 在气流作用下也会向前滑移。当气流速度再低或者物料量更多时，大部分较大的 颗粒会失去悬浮能力，不仅出现颗粒停滞在管底，在局部地方甚至会产生堆积成 为疏密流。气流通过堆积的物料颗粒上部的狭窄通道时，速度加快，在瞬间又将 堆积的颗粒吹走。颗粒的这种时停时走的现象是交替进行的。也会发现假若局部 堆积的颗粒突然充满整个管道截面，此时就会出现堵管现象，使物料在管道中不 再前进。产生疏密流的原因是由于各颗粒的形状和大小不同，加速度也不相同， 因而各颗粒之间便产生速度差。悬浮运动的颗粒数量增多时，速度不同的颗粒相 互碰撞的机会就增多。速度快的小颗粒追击碰撞速度慢的大颗粒，致使速度减小， 这样，由于后继的颗粒继续追击碰撞，就产生了速度比较缓慢的颗粒体群。因此， 颗粒体群越密集，速度就越慢，从而逐步形成集团流。 当疏密流继续发展，颗粒体群的堆积就要增加，从而速度见效，因此，与管壁 接触部分的颗粒体便失去浮力而开始滑动。这种情况再急剧发展，颗粒体群就处 于堆积状态，只能靠空气静压推动向前移动。这样的流动型式通常称为集团流或 塞状流。这种流动比悬浮流更复杂，会呈现集团流、塞状流、部分流。集团流运 动时堆积的物料上部被气流吹掉而以此向前流动。塞状流则在集团前后空气压差 的作用下强行流动。在这两种流动状态下，力的作用方式以及同管壁的磨擦等， 与悬浮运动时根本不同。 集团流发生在水平管或其附近的倾斜管中，这是因为管中的颗粒体群没有浮力 的缘故，在垂直管中，只要是连续输送，粒体的浮力便被空气阻力的一部分所补 偿，所以不会形成集团流。因此，在水平管道中发生的集团流，在垂直管道中就 分散成为疏密流。浓相时还会形成部分流。这是一种过渡的现象，特别是在输送 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 管径过大或集团流的上部颗粒被吹走的情况下容易发生。实际的输送中，物料的 实际流动状态，一般都是这几种形式混合、交替出现的流动情况较多。 1 3 3 管内气固两相流数值模拟 目前，气固两相流系统的数值研究主要有三种方法：宏观的连续介质理论r 欧 拉法) 、微观的运动理论、粒子运动的拉格朗日法。和单相流动的主要差别在于， 两相流动模拟要考虑两相间的相互作用。如果载荷比较低，粒子的存在并不影响 气流的速度场，但气流决定着粒子的轨道和参数的变化，这种情况叫单向耦合( o n e w a yc o u p l i n g ) 。在早期的数值分析模型中，单相耦合假定常被人们采用。但当载 荷比较高时，不但要考虑气相对粒子的影响，还要考虑粒子对气流的影响，即双 向耦合( t w ow a yc o u p l i n g ) 。这种两相问复杂的相互作用和交换机理，是气固两相 湍流流动研究的关键。充分考虑这种耦合机理，使气体颗粒流动的分析更加复杂。 目前，对于湍流两相流动的基本守衡方程没有什么争议的了。但是对于怎样 封闭这一组基本守衡方程，不同的模型采用不同的模拟办法以实现对它们的封闭。 常用的例如：单颗粒动力学模型、小滑移模型、无滑移模型( 单流体模型) 、颗粒轨 道模型、多流体模型( 多连续介质模型) 等办法【3 7 1 。 单颗粒动力学模型 单颗粒动力学模型 3 8 1 不考虑颗粒的存在对流体流动的影响，认为流场己知， 只考虑互不相关的单个颗粒在其中的受力和运动，也不考虑颗粒的脉动，这是最 早的模型。该方法方程较少，计算量小，但流场经过简化，不能反映颗粒运行的 轨迹。当我们研究复杂的湍流两相流时，可以把单颗粒动力学模型的分析所得的 规律作为实际两相流中所包含的基本现象的一部分。 单颗粒运动方程： ， o = = 似，- - u h ) ，+ g f( 1 3 6 ) a l k 一般形式的颗粒运动方程： d 甜 m p 孚= 巳+ + + + + 兄+ + + ( 1 3 7 ) a i p 这是考虑了m a g n u s 力，s a f f m a n 力，热泳，电泳，光泳等作用力后得到的方 程，然而，在大多数情况下，m a g n u s 力，s a f f m a n 力，热泳，电泳，光泳等作用 力是可以忽略不计，在流场的大部分区域，e ，甚至瓦也是次要的。 小滑移模型 ，j 、滑移”模型的一个特点是对稀疏颗粒悬浮流忽略颗粒对流体的作用，即认为 有颗粒时的气相或流体流场与单相时相同，是己知的，另一个特点是认为颗粒的 运动纯属受气流的夹带引起的( 例如管道输送等情况) ，颗粒时均运动相对于流体的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 警+ 毒( 岛= 毒( b 孥 ( 1 3 9 ) 毒砂2 毒n 静+ & 蝴， ( 1 4 0 ) 掣+ 扣以j 专寺辔协 4 ， 瓯：一矗( 反一反+ ，) 一i 3 。 1 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 两相流。其缺点是不考虑颗粒相对于流体的速度及温度滑移，与实际差别较大， 因而己较少用于解决工程实际问题了，但是仍可以用于教学训练及定性探讨某些 规律。 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型又回到拉格朗是坐标系中处理颗粒相问题，它完整地考虑了颗 粒与流体间的相互作用，并且考虑颗粒与流体问的速度和温度的大滑移，认为这 些滑移与扩散漂移无关。颗粒轨道模型的优点是可以比较容易地考虑颗粒的结合 和破裂，考虑颗粒的大小、温度和成分的变化等，因而在工业系统中有广泛的应 用【柏 1 4 1 1 。其缺点是每次计算的只是一个颗粒的轨道，对于场的描述无论如何都是 粗糙的1 4 2 】。它不容易全面地考虑颗粒的质量、动量及能量的湍流扩散过程，而且 颗粒轨道计算结果在复杂的流场内很难给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布， 难以和实测的欧拉坐标中颗粒场特性相对照【4 3 1 。颗粒轨道可以由其运动方程求解 得来。如果颗粒在湍流中运动，还需考虑流体湍流脉动引起的颗粒弥散作用。根 据颗粒轨道的确定方法，把颗粒轨道模型又分为确定性轨道模型和随机轨道模型。 在控制方程组中，若用气流的平均速度代入，即为颗粒的确定性轨道模型。 在求解颗粒的运动方程组时，首先要确定颗粒所在位置处的流体平均速度q ，求 解气相的平均动量方程可以给出流体平均速度值。时间步长由颗粒积分控制体积 单元( n c o 的大小确定。在一个n c c 中，认为颗粒的速度不变，颗粒穿过一个n c c 的时间为颗粒轨道的积分时间步长t 。对于稳态的流场，流场各点的平均速度一定， 而计算网格划分后颗粒轨道积分的步长也确定，因此，颗粒的轨道是确定和固定 的。为了考虑气相湍流脉动引起的颗粒的扩散，可修正颗粒速度。 随机轨道模型中，需在上述方程组代入颗粒所出流场的瞬时速度。并令瞬时 速度等于平均速度加脉动速度。脉动速度和积分时间可有不同的方法求解。有了 脉动速度和积分时间，颗粒在流场中运动的轨道可以求解出来。 在颗粒轨道模型中假设： ( 1 ) 颗粒相是离散体系，气相与颗粒间有速度滑移和温度滑移( 滑移可大可小) ； ( 2 ) 在确定性轨道模型中不存在颗粒扩散； ( 3 ) 颗粒群按初始尺寸分布分组，每组颗粒在任何时刻都有相同的尺寸、速度、 温度； ( 4 ) 每组颗粒从初始位置开始沿着各自的轨道运动，颗粒的质量、速度及温度 变化可以沿轨道加以追踪； ( 5 ) 认为颗粒作用于流体的质量、动量及能量源( 汇) 等价地均布于气相单元内。 气相连续性方程： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 百a p 告沪s ( 1 4 2 ) s = 一最= 印t 颗粒连续方程： 警+ ( p k u = 最 ( 1 4 3 ) 气相动量方程： 昙c 刖+ 考c 见 护一詈+ 毒c 以c 等+ 挈卜螈， + p k ( u h 一嘶) + “j s + ( 1 4 4 ) 颗粒动量方程： 昙( n ) + 未( 成“f ) = n 霸一以 一甜，) + ，最+ e 朋 ( 1 4 5 ) 气相能量方程： 昙( ，d + 丢( 脚，c ，d = 三j 【o 生 t ( ：0 岛 1 。j + w ，q j 一靠+ 以t g + 勺t s ( 1 4 6 ) 颗粒能量方程： 昙( 以c 互) + 丢( n 气瓦) = ( 幺一级一纵) + c ，啦 ( 1 4 7 ) 气体组分方程： 昙( 膨) + ( p u 朋= 毒【等( 考) 】- w j + q s ( 1 4 8 ) 多流体模型l 瞄5 脚1 多流体模型的基本概念是认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体实际 上，该模型只是一种模拟颗粒湍流脉动的方法，类似单相流动中所用方法。基本 假设是： ( 1 ) 在流场中的每一位置，颗粒相与气相共存并相互渗透，每一相具有其各自 的速度、温度和体积分数，但是每个尺寸组的颗粒具有相同的速度和温度； ( 2 ) 每一颗粒相( 尺寸组) 在空间中具有连续的速度、温度和容积分数的分布； ( 3 ) 每一颗粒相，除与气相有质量、动量、能量的相互作用外，还具有自身的 湍流脉动，造成颗粒质量、动量及能量湍流输运，且颗粒脉动取决于对流、扩散、 产生及气相湍流的相互作用； ( 4 ) 用初始尺寸分布来区分颗粒组( 相) ； ( 5 ) 对于稠密颗粒悬浮体，颗粒碰撞会引起附加的颗粒粘性、扩散和热传导。 流体相连续性方程： 1 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 颗粒连续方程： 等+ 毒( 刚小西t 二t ( 1 4 9 ) 堕, g t + 考o xc 掣护考唼拳 ，一苏；、口。缸：7 流体相动量方程： 昙c 州+ 昙- j ( p u ，一考+ 考t 以当+ 考卅螗， + 以一坼) r ，i + q s + ( 1 5 0 ) ( 1 5 1 ) 颗粒笔量方程。a 盖瓴) + 毒( n k u n ) 2 n k g t 一 ( u - u a r , k 一一坼) 所i 墨+ e 朋：苦咐。c 鲁+ 挈，+ 旦o x ，阻c x k o kc 墼 x i