（工程热物理专业论文）气固两相流阻力式浓度测量方法研究.pdf

山东大学硕士论文 摘要 气固两相流技术在工业上越来越广泛的应用，使有关两相流浓度测定 的相关研究显得越发重要了。如电厂锅炉运行过程中，一次风送风管道内 煤粉浓度测量准确与否，对整个锅炉稳定运行的调节起着极其重要的作 用。因此，探寻能够准确，直接，可靠的在线测量两相流浓度的方法一直 是两相流研究中备受关注的课题。 靶式流量计是一种用途广泛的流量测量仪器，它具有独特的优点。已 有学者将其用于气固两相流浓度的测量，并初步证明了它的可适用性。如 若其能更好的应用于气固两相流浓度测量，就有必要对以下几个问题进行 研究：何种靶片对两相流浓度较敏感、为何敏感、靶片周围存在着什么样 的流场、靶片受力与两相流流速及浓度有何种规律。 本文通过数值模拟和实验研究两种方式，初步研究了上述问题。 以软件f l u e n t 为工具，采用湍流粘性离散相射流模型和s i m p l e 算法， 对研究对象建立了模型。对七大系列靶片的几何尺寸及迎风角与靶片受力 的关系做了模拟，得到了它们的关系，并从中发现了对浓度变化最敏感的 四大系列靶片( 锥型内面球冠靶、球形靶、凸球形内面球冠靶、凹球形内面 球冠靶) ，其中凸球形内面球冠靶对两相流浓度变化最为敏感，针对结果简 单分析了原因。以凸球形内面球冠靶为研究对象，在同浓度( 包括纯空气) 情况下，对它做受力与两相流流速关系的模拟，对比发现靶片受力与两相 流流速呈二次函数关系，且随两相流浓度的增加靶片受力对流速变化愈加 剧烈。对三个独立变量( 靶片受力、两相流流速、加粉量) 的关系建立了微分 方程，并依据此微分方程，以软件s p s s 对两相流模拟结果予以拟合，得到 了三个独立变量的关系，拟合误差很小。 搭建实验台后，集中对四件两相流浓度响应效果较好的靶片做了实验 研究。纯空气实验中，得到靶片受力和风速呈平方关系，与数值模拟的结 果相吻合。两相流实验中，一方面，发现浓度大致相同的情况下，实验中 靶片的受力均小于模拟中靶片的受力，这主要是由于实验和模拟中风速条 件不同造成的；另一方面，发现在两相流浓度、流速大约一致的情况下， 四个靶片受力的大d , jj 顷序和模拟的情况完全一致。均为凸球形内面球冠靶 i i i 山东大学硕士论文 受力最大。最后分析实验误差，并对实验结果进行拟合，得到了三个独立 变量( 两相流流速、加粉量、靶片受力) 的关系，拟合误差很小。 关键字：靶式流量计气周两相流数值模拟实验研究 山东大学硕士论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ft h eg a s - s o l i df l o wt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ea b r o a d ， a n dt h ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t so fg a s - s o l i dt w op h a s ef l o w sh a v eb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f o re x a m p l e ，i nt h eo p e r a t i o no fp o w e r p l a n tb o i l e r s ， t h ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n to ft h ep r i m a r ya i rw i t hp u l v e r i z e dc o a lo n - l i n e ， p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h eb o i l e ro p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o f i n da na c c u r a t e ，d i r e c t ，r e l i a b l em e a s u r e m e n tm e t h o do n - l i n ef o r t h e c o n c e n t r a t i o no ft w o p h a s ef l o w t a r g e tf l o w m e t e ri sak i n do fa b r o a du s e da p p a r a t u s ，a n di th a so w n u n i q u ec h a r a c t e r i s t i c t h e r e a r er e s e a r c h e r sw h oa p p l yt a r g e tf l o w m e t e rt o m e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no fg a s p a r t i c l et w op h a s ef l o w s ，a n di t sa p p l i c a b i l i t y i sa l r e a d yp r o v e d s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：w h i c h t a r g e ti sm o r es e n s i t i v et ot h ec o n c e n t r a t i o na n d t h er e a s o nf o ri t ，w h i c hk i n do f v e l o c i t yf i e l di sa r o u n dt h et a r g e t s ，a n dw h i c hl a wi sb e t w e e nt h ef o r c eo nt h e t a r g e t sw i t ht h ev e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o n t h i sp a p e rp i l o ts t u d i e dt h eq u e s t i o n sa b o v ew i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d s w eu s e dad i s c r e t ep h a s ej e t ，v i s c o u st u r b u l e n c em o d e la n ds i m p l e a l g o r i t h mw i t h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n ti nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h r o u g hs e v e ng r o u p so fs i m u l a t i o n so nt h er e l a t i o na b o u tt h e g e o m e t r yd i m e n s i o na n dw i n d w a r da n g l ew i t ht h ef o r c eo nt a r g e t s ，w ef o u n d t h em o s ts e n s i t i v e g e o m e t r y d i m e n s i o n sa n dw i n d w a r da n g l e st ot h e c o n c e n t r a t i o no ft w o p h a s ee v e r ys e r i e s ，f o u n dt h et y p i c a lt a r g e t so ff o u rm o s t s e n s i t i v et a r g e t ss e r i e st ot h et w of l o wc o n c e n t r a t i o n ，a n da l s of o u n dt h es p h e r e c o r o n e tt a r g e tw i t hs p h e r e p r o t r u d i n gi n n e rs u r f a c e sw a st h em o s ts e n s i t i v e t a r g e t t ot h ec o n c e n t r a t i o no ft w o p h a s e t ot h es p h e r ec o r o n e tt a r g e tw i t h s p h e r e p r o t r u d i n gi n n e rs u r f a c e s ，w ed i dt h ec a l c u l a t i o n sa b o u tt h er e l a t i o no f t h ef o r c eo ni tw i t ht h ef l o wv e l o c i t y , a n dt h ec o m p a r i s o nw i t ht h ea i rf l o w a t l a s t ，d i f f e r e n t i a le q u a t i o ni ss e tu po nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h r e e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s ( v e l o c i t y , t h ep o w d e r s q u a n t i t y , t h ef o r c eo nt a r g e t s ) a n db a s e do nt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，s o f t w a r es p s si su s e dt of i tt h er e s u l t s o ft h et w o p h a s ef l o wa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h r e ei n d e p e n d e n t v 山东大学硕士论文 v i v a r i a b l e si sg a i n e da n dt h ee r r o ri sq u i tl i t t l e w es e tu pat w o - p h a s ef l o wt e s tr i gi nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , d i dt h e e x p e r i m e n t so fp u r ea i rf l o wv a r y i n gs p e e da n dv a r y i n gc o n c e n t r a t i o nw i t h c o n s t a n ts p e e d ，g o tt h er e s u l t sa n de r r o ra n a l y s i s f o rt h es t u d i e df o u rt a r g e t s u n d e rt h es t a t eo ft w op h a s ef l o w , o n es i d e ，t h ef o r c e so nt h et a r g e t sa r ca l ll e s s t h a nt h a ti nt h es i m u l a t i o n t h em a i nr e a s o ni st h a tt h ew i n dv e l o c i t yi s d i f f e r e n ti nt h ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o n t h eo t h e rs i d e ，i ti sf o u n dt h a t t h er a n ko ft h ef o r c eo nt a r g e t si nt h ee x p e r i m e n ti sc o m p l e t e l yc o n s i s t e n tw i t h t h a to ft h es i m u l a t i o n a m o n go ft h ef o u rt a r g e t s ，t h ef o r c eo nt h ec o n v e x i t y i n n e rs u r f a c e - c r e s ti st h eb i g g e s t a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a le r r o ri sa n a l y z e da n d t h er e s u l t sa l ef i t t e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h r e ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e s ( t h ev e l o c i t yo ft h et w o p h a s ef l o w , t h ep o w d e r s - - q u a n t i t y , t h ef o r c eo nt a r g e t s ) i sg a i n e da n dt h ee r r o ri sq u i tl i t t l e k e y w o r d ：t a r g e tf l o w m e t e rt w o p h a s ef l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t u d y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弓础日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：云蜘师签名：魁日 期：! 叠王友 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 在工业生产过程中经常碰到固体颗粒在气流中进行输送、反应或燃 烧，以完成整个产品的制造或合成过程。测量气固两相流浓度对整个过程 起着至关重要的作用，例如在电站锅炉燃烧和控制方面，锅炉燃料输送系 统中送粉管内煤粉浓度即一次风煤粉浓度是一个非常重要的参数。煤粉浓 度的高低直接影响风管内送粉的均匀性、炉内工况的稳定性和锅炉燃烧效 率，尤其是对于四角切圆燃烧锅炉。如果各燃烧器中的煤粉浓度相差太大， 就不能很好的组织燃烧，会造成火焰的偏斜、热效率降低、结焦、燃烧不 稳定、n o x 的排放增加等问题。严重的情况下会造成煤粉管道堵塞，电厂 被迫降负荷或停机，影响了电厂的安全运行，并给电厂造成很大的损失汹1 。 因此，如何能方便、准确地测量气固两相流中固体微粒的速度、浓度及其 影响因素，从而正确了解气固两相流【1 2 】的性质，是实现现代化锅炉正确 设计和运行控制所必需的。 1 2 当前研究现状 气固两相流是一个非常复杂的流动过程，目前还没有完整的理论来 解释这种流动，只能靠半经验半理论的方法来处理这种复杂的流动。当 然人们对它的研究从没有停歇过，特别是近年来，工业生产对两相流浓 度测量的要求越来越迫切，人们就更加紧了对两相流研究的步伐，探索 出的方法也很多。不过总的说来，前人对两相流浓度测量的方法基本上 可以总结为下面几个： 1 光学法【3 “5 6 7 8 9 2 2 1 ，前人利用光学原理对气固两相流浓度的 研究从其机理上划分，基本上可以分成三个大的部分，即：透射法，散 射法和衍射法。 南京航空航天大学自动化学院的姚恩涛，周克印针对输送管道内煤 粉颗粒的粒径分布宽的特点，用侧向接收散射光的mi e 散射方法和 f r a u n h o f e r 衍射方法作了理论分析和实际测试。利用分子筛和显微镜对 山东大学硕士学位论文 2 被测粒子进行了静态测量，其结果可以作为相对准确的测量标准。研究 结果表明，针对细粉分离器内煤粉颗粒的形状、浓度和粒径的分布规律， 用衍射测试方法可以达到较高的测试精度，取得较好的测试效果。 东南大学动力系教育部洁净煤燃烧与发电技术重点实验室的赵延 军，王式民，穆宁，潘琦和美国麻省理工学院化工系张学峰的论文，从 f r a u n h o f e r 衍射理论的积分变换反演算法出发，提出了一种称为平均值 法的烟尘颗粒浓度在线测量新方法。通过测量特定前向小角内光散射积 分的强度即可获知被测烟尘的颗粒浓度。与目前常用的测量颗粒浓度的 消光法比较，这种方法不需要预先获取颗粒的平均粒径。因此可以用于 在线测量。文中用f r a u n h o f e r 衍射和m i e 散射理论对这一新的测量方法 进行了数值模拟验证，确认了该测量方法的正确性及它的适用范围，还 进一步在粉尘发生器上进行了实时在线测量的研究，并采用等速采样法 对测量系统进行了标定，从而验证了平均值法的可靠性和可行性。 燕山大学电气工程学院的尚丽平，张娜和河北省人民政府国有资产 监督管理委员会的马凤斌的论文用多波长消光法，不仅可以测量颗粒的 平均粒径，而且也可以测量颗粒的粒径分布，采用函数限制解法，仅用3 个波长即可求出颗粒的粒径及其粒径分布，并据此设计了一套测量系统。 2 能量法【1 0 1 1 2 2 2 3 1 ，能量法是依据能量守衡定律推出的。 t l c p 一+ m t 2 c 彬- t 3 f 附3 + m c 脚j + q ( 1 - 1 ) 式中： g 心1 、c p 占3 为混合前、后空气比热，k j ( k g ) ；q ，2 、g 芦 为混合前、后粉体比热，k j ( k g 。) ；m 为煤粉浓度，k g k g ；q 为管道 散热损失，k j k g 。对于保温条件比较好的一次风管可忽略管道散热损失 的影响，则一次风管内煤粉浓度的计算式变为： 胁；毛丝出( 1 2 ) 1 f 3 c ”3 一f 2 c p 一2 、7 上海电力学院的潘卫国，曹绛敏的论文，针对电站锅炉一次风管内 风粉流动，提出了依据能量守恒原理的测量方法和提高测量精度的测点 布置原则，指出混合点温度t 。的布置应根据煤粉颗粒加热段长度l a d 的计算公式的计算结果而定。 中南大学能源与动力工程学院的裴海灵，周乃君，刘智敏，包生重 山东大学硕士学位论文 的论文，针对传统能量法模型存在精度不高的问题，分析了煤粉与热风 混合时所带水分的汽化潜热对测量结果的影响，提出一种修正模型。实 际应用效果表明，所测结果与现场情况吻合得较好，说明本文提出的模 型比传统的能量法模型有更高的测量精度。 3 压降法【1 2 1 3 - 1 4 2 2 2 3 1 ，压降法是根据两相流压降与颗粒浓度具有 确定的线性关系，先测量压降，再计算出浓度值的方法。 上海交通大学动力与能源工程学院的范卫东，章明川，何磊，周月 桂的论文，根据两相流压降与颗粒浓度具有确定的依赖关系，提出了一 种利用现有送粉管道，在同一管线上选择送粉特性有差异的两段管道在 线测量风速和煤粉浓度的新方法。此法的优点在于不破坏原有管线及其 阻力特性，特别适合于采用乏气送粉和直吹式制粉系统的火电厂现场使 用。通过建立试验台及相应的在线测量系统进行了试验，表明该法是可 行的。 4 电磁波法1 1 5 仡】，原理是利用探针激励原理使电磁波在波导管内传 播，再利用探针检测，经过处理检测到的电磁波得到煤粉浓度。 5 热探头法【1 6 】，其原理与热线热膜风速仪的测量原理类似，即利用 流动与换热的相关性测量流动参数。 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的刘磊，周芳德的论 文，热探头煤粉浓度测量方法原理与热线热膜风速仪的测量原理类似， 即利用流动与换热的相关性测量流动参数。热探头浓度测量法通过测量 气固两相流体横掠热探头的换热系数h ，以确定煤粉浓度。采用热探头 测量煤粉浓度，由于气固两相间的热驰豫现象，热探头的讯号既不会简单 地依赖于煤粉浓度，也不会简单地取决于流体的质量通量。 6 静电法【1 7 l 南京大陆中电科技股份有限公司的王恒山的论文，提出一种静电测 量技术，通过测量管道中煤粉空气两相流动时产生的静电电荷，经过有效 的信号处理，提取管道中煤粉粒度信息，系统在标定后可实现煤粉细度的 在线测量。 7 动量浏1 8 】，依据动量定理，视气固两相流体为整体，将测量煤粉 浓度时涉及的流体内部复杂运动转化为研究流体与外界的相互作用。 3 山东大学硕士学位论文 4 西安交通大学的吴智群，巨林仓和西安热工研究院有限公司的师建 斌，武宝会，段建欣，杨静安的论文，从理论上阐述了乏气及直吹式送粉锅 炉煤粉浓度的动量法测量原理。依据动量定理，视气固两相流体为整体， 将测量煤粉浓度时涉及的流体内部复杂运动转化为研究流体与外界的相 互作用。现场试验证明，该方法对煤粉浓度的测量精度能满足工程要求， 对煤粉量的变化反应快速灵敏，具有一定的可行性与实用性，为电站锅炉 煤粉浓度在线测量开辟了新的实用的监测方法。 8 电容法【1 9 】，是利用两相流流过电容时电容值改变的原理来测量气 固两相流浓度的方法。 浙江大学热能工程研究所能源清洁利用与环境工程教育部重点实验 室的浦兴国，潘晓辉，周洁，袁镇福的论文，提出电容传感器输出电压随煤 粉浓度呈单调上升趋势，且都有较好的线性度和较高的灵敏度。煤粉水 分经常改变，使传感器的电容量随着变化，因此电容传感器不适宜水分经 常变化的煤粉的浓度测量。但对煤粉相对浓度的测量没有影响，少量水分 反而能提高相对煤粉浓度测量的灵敏度。 9 文丘里法【孤矧，原理是基于气固两相混合物流过文丘里时的差压 与气体单独以相同流量流过文丘里时的差压存在一定的关系。 1 0 层析法【2 1 1 ，将传感器的电极板围绕被测区域，将得到的信号经 过处理得到流动图形的一种方法。 刘石，徐建中的论文，提出了一种新的电容层析成象技术( e l e c ：t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，简称e c t ) ，它是一种近年发展起来的非侵入 式快速浓度测量技术，e c t 将传感器的电极板围绕被测区域，检测区域 内介电常数变化引起的传感器电容变化，仪器巡回测量电极板之间的电 容，各电极形成的彼此独立的电容值经过数学方法处理即可显示区域内 的物质分布。 1 1 靶式法【矧 靶式流量计( 以下简称t g f ) 是差压式流量计的一个品种，它的开发 及工业上的应用已经有数十年的历史靶式流量计除了适用于般的气 体，液体以及蒸汽的流量测量外，还适用于浆液介质，易结晶凝结介质， 脏污沉淀介质，腐蚀性介质以及高粘度介质。诸如重油，沥青，淬火油， 山东大学硕士学位论文 有机酸，非导电流体等等，同时还具有一定的抗脉动流的能力。靶式流量 计与其他流量计相比较，更具有独特的优点：结构简单，安装维护方便， 价格低廉，在检测过程中不易堵塞和堆积污物。和节流装置相比较，可省 去导压管，冷凝器，集气器，沉降器，隔离器，及喷吹系统等，减少了运 行维护量由于靶式流量计能够应用通用的显示仪表，它和电动单元二次 仪表配套使用后，能够实现远距离的检测记录，累积及自动控制和调节， 所以靶式流量计已被广泛地应用于电站，石油，冶金，化工和轻工等部门。 山东大学能源与动力工程学院的范明秀l2 6 1 ，将其用于气固两相流浓度 的测量，并且证实了在误差允许的范围之内它的可适用性，同时发现它在 应用过程中存在一些问题，一个问题是靶片的受力总体上过小，且其变化 值随气固两相流浓度的改变不太明显；另一个问题是，实验中对靶片受力 值输出信号变化很快，而且波动幅度过大，足以掩盖浓度改变引起的输出 信号值。产生这一问题的原因很多，一方面可能是由于实验台本身振动引 起，加之靶式流量计是一种大力矩装置，即便很小的靶片振动也有可能引 起较大的扰动信号：另一方面，可能是由于靶片后面旋涡流引起的，随着 旋涡的脱落，靶片受力的力矩也随之变化，而其直接的表现就是靶式流量 计的输出信号随之发生波动。 除了以上几种方法以外还有很多的测量方法，例如振动法【2 4 1 ，等。 1 3 本文所做的工作 本文立足于范明秀师兄论文的基础上，针对所出现的问题。笔者认为， 靶式流量计若能更好的应用于两相流浓度的测量，必须解决好以下几个方 面的问题：何种靶片对两相流浓度较敏感、为何敏感、靶片周围存在着什 么样的流场、靶片受力与两相流流速及浓度有何种规律。 针对以上几个方面的问题，笔者主要作了以下工作： 1 利用f l u e n t 软件模拟更多形状系列的靶片，在每一系列靶片中 找出主要影响靶片受力的几何模型参数；寻找几种对两相流浓度变化敏感 的靶片；根据靶片附近的压力场、速度场、密度场，分析这几种靶片对两 相流浓度变化敏感的主要原因；对模拟结果进行拟合，找出一定条件下， 靶片受力与两相流流速、浓度的关系。 5 山东大学硕士学位论文 6 2 在现有设备的基础上，针对现有实验台气固两相流浓度不够均匀， 振动偏大，风速波动偏大，数据采集不够及时、准确的现状，对实验台做 了进一步地完善；将实验研究的结果和数值模拟的结果作对比，验证数值 模拟的准确性；对实验条件下的实验结果进行拟合，找出靶片受力与两相 流流速、浓度的关系。 山东大学硕士学位论文 2 气固两相流基本理论 2 1 气固两相流的基本概念和相关概况 在工业生产过程中经常碰到固体颗粒或液滴在气流中进行输送，反应 或燃烧，以完成整个产品的制造或合成过程的问题，这种颗粒流动通常称 为多相流动。这里“相”有两种含义，一种是泛指气，固，液相，另一种 是指气固或液固流动过程中，颗粒相是由不同直径的颗粒或液滴所组成， 我们可以把每一组直径相同的颗粒称为一相，因而由不同直径组成的气 固或气液流动也称为多相流动。多相流已经渗入到国民经济的各个部门， 应用领域很广，但是它的理论基础和物理模型都是共同的。工程中的多相 流种类繁多，结构复杂，目前尚无统一，严格的分类方法【1 1 。 气体固体颗粒两相流中的一相为固体颗粒群，如果气流的速度足够 高，这些固体颗粒的流动特性类似于普通流体，称它们为伪流体。这两相 都有各自的流动参数，如速度，压强，密度，温度等。由于一起流动，相 间有相互作用和动量，能量的交换，自然有两相混合物特性的流动参数【2 9 】。 目前气固两相流研究主要分为以下三种情况： 1 充满粒子的流动：连续气体流动中有离散的固体粒子； 2 气动输运：流动模式依赖诸如固体载荷，雷诺数和粒子属性等 因 素，最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床，以及各同性流； 3 流化床：由一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器导入 筒内。从床底不断充入的气体使得颗粒得以悬浮。改变气体的流量，就会 有气泡不断的出现并穿过整个容器，从而使得颗粒在床内得到充分混合。 近十年来，多相流研究得到了空前的重视和迅猛的发展，各种模型层 出不穷。如：从流体组元( 方程组数目) 来看，可分单流体模型，双流体 模型和多流体模型；从研究的尺度上来看，可分为宏观连续模型和微观连 续模型；从研究的着眼点来看，可以分为颗粒动力学模型，涡流动力学模 型，k - e 模型，颗粒轨道模型等等。各种模型各有长处，也各有短处，但 普适性均较差，有待广大学者进一步发展与完掣3 0 j 。 模拟方面，两相流系统的研究主要有三种方法：宏观的连续介质理论 7 山东大学硕士学位论文 8 ( 欧拉法) ，微观的运动理论，粒子运动的拉格朗日方法。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，即耦合作用。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，这种情况叫单相耦合( 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，还要考虑粒子的存在对气流的影响，即双向耦 合作用( t w o - w a yc o u p l i n g ) 。这种两相间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。充分考虑这些耦合机理，使气体颗粒流动 的分析更加复杂1 3 1 j 。 2 2 气体一固体颗粒两相流的特性参数呦3 2 2 1 固体颗粒的粒径，粒度分布 1 粒径 粒径即球形颗粒的直径，是判断颗粒粗细程度的指标。自然界和工程 中遇到的固体颗粒，球形的很少，绝大多数形状不规则。工程上采用一些 粒径的测定方法，以适应实际需要。具体方法这里不再赘述。 表2 1 典型颗粒的尺度范围 物质尺度范围物质尺度范围 a ma m 烟草的烟 0 0 1 - 1 雾 2 愿o 油烟 0 0 3 1 杀虫剂 6 - 1 0 1 - 1 0 0 1 0 - 1 0 0 煤烟花粉 1 2 0 06 - 6 0 0 0 飞灰喷雾的液滴 3 - 6 0 0 6 0 0 6 0 0 0 粉煤 雨滴 2 粒度分布 颗粒物料通常含有各种不同粒径的颗粒，为了确定粒度分布情况，需 要用测量的方法按不同的粒径范围测出它们的质量或颗粒数，以确定它们 在总量中所占的份额，或称频率。 3 平均粒径 颗粒群中各不相同的粒径的平均值称为平均粒径。确定平均粒径的方 山东大学硕士学位论文 法很多。这里不再赘述。 4 球形度 球形度表示非球形颗粒接近球形的程度。它等于体积与颗粒体积相等 的圆球表面积与颗粒的表面积之比。 2 2 2 介质含量 1 质量含气率 气体质量占两相流混合物质量的份额为质量含气率。 2 容积含气率 气体体积占两相混合物体积的份额为容积含气率。 2 2 3 浓度、密度、混合比 1 浓度 单位体积混合物所含气体的质量称为气相的浓度，单位体积混合物所 含固体颗粒的质量称为固相的浓度。 2 数密度，混合物密度 单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的数密度，单位体积的 混合物的质量称为两相混合物的密度。 2 2 4 松弛过程 气体颗粒流的主要特点是它们有不同的速度，也可以有不同的温度， 以至两相间必然发生相互作用：颗粒受到气流的阻力作用，而且可能与气 体有热交换。这样相互作用的结果，就使它们的速度，温度逐渐接近，最 终达到某种相互平衡状态。它们接近的瞬时速率决定于该瞬时的速度差和 温度差。这样的接近过程称为松弛过程，并用松弛时间表示其特征时间。 2 2 5 稀相、密相 在气体固体颗粒两相流中，稀相是指气体含有很稀少的固体颗粒，密 相( 也称浓相) 是指气体中含有大量的固体颗粒。常用的区分方法：一种 是以固体颗粒的容积份额来区分，固体颗粒容积份额小于5 的为稀相， 大于5 的为密相：另一种是以颗粒群运动的机理来区分，如果颗粒在整 个速度松弛( 动力响应) 过程中没有同其他颗粒碰撞，便为稀相，否则便 为密相。 9 山东大学硕士学位论文 1 0 2 3 作用在固体颗粒上的力例 1 重力 存在重力场时，重力始终作用在任何物质颗粒上。 2 浮力 由于固体颗粒处在气体中或被气体携带着运动，浮力也始终作用在颗 粒上。对于气体固体颗粒两相流，浮力与重力之比的数量级为1 0 。3 ，通常 可以忽略浮力的作用。 3 气动阻力 只要固体颗粒与气体有相对运动，便有气动阻力作用在颗粒上。球形 颗粒在定常流动中受到的气动阻力为： ；c d 坐掣剑等2 ( 2 - 1 ) 方向与气体相对于颗粒的速度方向一致。阻力系数c d 按一定的公式 计算；如果颗粒是非球形的，计算其阻力系数乞的经验关系为 r e $ 1 , 乩7 ：r e 1 ，“7 吻 4 压强梯度力 在有压强梯度的流动中，例如管内流动等，总有压强的合力作用在颗 粒上。如果沿流动方向的压强梯度用表示，则作用在球形颗粒上的 压强梯度力为： 一手鲁 ( 2 - 2 ) 可见，该力的大小等于颗粒的体积与压强梯度的乘积，方向与压强梯 度相反。浮力也是压强梯度力。 5 附加质量力 当直径d p 的球形颗粒在理想不可压缩无界静止流体中以等加速度口， 作直线运动时，它必将带动周围的流体也加速运动。周围被带动的按加速 度a ，折算的流体质量称为附加质量，推动周围流体加速的力称为附加质量 力。具体计算公式详见文献【2 9 】。 山东大学硕士学位论文 6 巴塞特( b a s s e t ) 力 如果上述流场的流体是有粘性的，颗粒在流场内作任意变速直线运 动，作用在该颗粒上除有附加质量力之外，必定还有因颗粒在粘性流体中 作变速运动而增加的阻力，这种力便是巴塞特力。具体计算公式详见文献 【2 9 。 7 萨夫曼( s a f f m a n ) 升力 当固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于颗粒两侧的流速不一 样，会产生一由低速指向高速方向的升力，称为萨夫曼升力。最常见的是 边界层，在边界层的高切向应力区，萨夫曼升力是必须考虑的。具体计算 公式详见文献【2 9 】。 8 马格努斯( m a g n u s ) 效应 当固体颗粒在流场中自身旋转时，会产生一与流场的流动方向相垂直的 由逆流侧指向顺流侧方向的力，称为马格努斯效应。具体计算公式详见文 献【2 9 】。 2 4 本章小结 本章首先介绍了气固两相流的基本概念和相关概况，然后又介绍了气 固两相流的几个重要的特性参数，最后介绍了气固两相流中的粒子上的受 力。 山东大学硕士学位论文 两相流流过靶片的数值模拟 随着对多相流流动机理的更深入研究，特别是7 0 年代以来多相流数 学模型的建立及计算技术的发展，有可能对复杂的多相流问题进行数值计 算。已有不少研究者对管道内多相流动作了数值模拟【1 1 。 我们对近年来气固多相流数值模拟理论国内外最新成就及其发展动 向作了综合评述，涉及到直接模拟、离散涡模拟、统观模拟、统计模拟等 几个重要方面1 3 2 j 。 由此可知气固多相流数值模拟方法很多，但在这主要讨论湍流管道内 稀相气固两相流的数值求解方法。本文采用了目前流行的模拟软件f l u e n t 。 下面来介绍一下其中目前最常用两种模型：多相流体模型，离散相模型。 其中多相流体模型包括：流体体积模型、混合物模型、欧拉模型。 3 1 水平湍流管内多相流动的数值计算理论 3 1 1 气固两相r e y n o l d s 时均方程组d 3 1 气相和固相的连续性方程分别为： 望+ 刿；s o t 缸， 监o t + 掣；毒怯酱) 缸；缸；i 盯。觇；j 气相和固相的动量方程： 必+雩乒一詈+旦jot a xh 考+ 善) 】 缸：缸；i i 缸；缸；j l + 螈一+ ；等k u ) 邯+ 业a 出t + 粤掣；毒卜t ( 等a x + 等a x ) 一十一昌一i y l 工，ll 一十一i l 缸，缸；i i，j | + , o k g 盯+ 盟化一) + u 咒+ e 埘 f m ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 1 4 枷告b 叫尝卦q 吩舻( 3 - - 1 2 ) 湍动能耗散率方程 言( p s ) + 砉沁) + 詈( c l q _ c 2 胪) ( 3 1 3 ) 根据h i n z c - - t c h e n 颗粒湍流粘性系数模型，有 等= ( 铲降) - l ( 3 - - 1 4 ) 3 1 2 多相流体模型和离散相模型 目前数值模拟软件f l u e n t 所提供的多相流的模拟方法主要有两种： 多相流体模型，离散相模型。只不过两种模型有各自的适用范围或最佳适 用范围，具体各种模型的使用规则如下【3 4 j ： ( 1 ) 对于体积率小于1 0 的气泡，液滴和粒子负载流动，采用离散 相模型。 ( 2 ) 对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超过1 0 的气泡， 液滴和粒子负载流动，采用混合物模型或者欧拉模型。 ( 3 ) 对于活塞流，采用v o f 模型。 ( 4 ) 对于分层自由面流动，采用v o f 模型。 ( 5 ) 对于气动输运，如果是均匀流动，则采用混合物模型；如果是 粒子流，则采用欧拉模型。 ( 6 ) 对于流化床，采用欧拉模型模拟粒子流。 ( 7 ) 对于泥浆流和水力输运，采用混合物模型或欧拉模型。 ( 8 ) 对于沉降，采用欧拉模型。 ( 9 ) 对于更加一般的，同时包含若干种多相流模式的情况，应该根 据最感兴趣的流动特征，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分 流动特征做了较好模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。 3 1 1 1 多相流体模型【1 】 由于管内多相流动是很复杂的，为数值计算方便起见，这里作如下的 假定：( 1 ) 流动为定常的两相二维流动，流动工况是湍流；( 2 ) 气固两相 山东大学硕士学位论文 体，固相为稀相，颗粒之间以及颗粒与壁面的互相碰撞忽略不计。 在上述假设条件下，可用k - e 模型来模拟气相的湍流运动，并用双组 分，两相均相模型来模拟气固两相运动。两相流动的控制方程组可表示为： 气相和固相的质量守衡方程分别为： 坠垒匕；o ( 3 1 ) d x ： 去戗v 瓦) = o 2 ， 气相动量守衡方程毒 ( 1 一唬k _ 一掣詈一吉互+ ( 1 一谚) 正 + 讣砒隆量o x i ) + 一l 一识。l 上+ 上i | 缸，i “i 缸川 二讣i1 3 一谚似剀 c 3 吲 一 ， 一_ _ 一 缸；l 、i一缸，jl 固相动量守衡方程 毒k v 小一考詈+ 去e + 谚兵+ 毒卜妒( 鲁+ 鲁) 】 一詈毒 ( 嘶+ 鲁) + 毒卜( y 所等r 蔷) c 3 4 ， 气相湍黼勰v 詈2 毒陆针v 舒百o v g i 吖 一f k 而翮+ 两k 叱i ) j ( 3 5 ) 气相懒率方程v 飞a _ l ；毒愕针c 瓦等譬 彬卜矧 伊6 ， 1 5 山东大学硕士学位论文 1 6 i 方向的分量，f 一瓦p i p 其中为颗粒的迟豫时间( = 筹) 。 j d g “ 1 即 3 1 1 2 离散相模型嗍 f l u e n t 中通过积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离 散相颗粒的轨道。颗粒的作用力平衡方程( 颗粒惯性= 作用在颗粒上的各 种力) 在笛卡儿坐标系下的形式为： 鲁a g 心) + 掣+ ， 7 ， 其中昂b 一“p ) 为颗粒单位质量曳力，其中 昂一嚣譬p p d ； z 4 其中，口为流体相速度，p 为颗粒相速度，p 为流体动力黏度，p 为 流体密度，砟为颗粒密度( 骨架密度) ，以为颗粒直径，r e 为相对雷诺数 ( 颗粒雷诺数) ，其定义为： 一脚，k叫ire = ：! 兰 ! 曳力系数c d 可采用如下的表达式 厶鸭+ 惫+ 惫 对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，上式中的口，口2 ，q 3 为常数。 3 1 3 湍流模型 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动，其每个物理量都是做随机的 运动。三维非稳态的n - s 方程可以用来描述湍流，其中各个物理量是三维 空间坐标和时间的函数。对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺 寸内求解瞬态三维n a v i e r - s t o k e r s 方程的全模拟，这时无须引入任何模型。 然而这是当前计算机容量及速度尚难以解决的，至少在近期不易实现【3 5 】。 当前可用于工程的现实模拟方法仍然是由r e y n o l d s 时均方程出发的模拟 方法。这就是目前常说的“湍流模型”或称“湍流模式 。这些湍流模式 理论都是以雷诺平均运动方程和脉动运动方程为基础的，依靠理论和经验 的结合引进一系列模型假设，建立一组描写湍流平均量的封闭方程组的理 山东大学硕士学位论文 论计算方法。其基本点是利用某些模型假设，将r e y n o l d s 时均方程或者湍 流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或者时均量来表 达，从而使r e y n o l d s 时均方程封闭。 在f l u e n t 软件中提供以下湍流模型：s p a l a r t a l l m a r a s 模型；k 模 型；k ( i ) 模型；雷诺应力模型( r s m ) ；大涡模拟模型( l e s ) 。 但各个模型都有自己的使用范围和原则，这里提供一些湍流模型选取 的准则：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的 能力、时间的限制。为了选择最好的模型，需要了解不同条件的适用范围 和限制。 1 s p a l a r t a l l m a r a s 模型 s p a l a r t - a l l m a r a s 模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚 ( w a l l b o u n d e d ) 流动，而且已经显示出很好的效果。在透平机械中的应 用也愈加广泛。在湍流模型中利用b o u s s i n e s q 逼近，中心问题是怎样计算 漩涡粘度。这个模型被s p a l a r t a l l m a r a s 提出，用来解决因湍流动粘滞率而 修改的数量方程。 s p a l a r t a l l m a r a s 模型是相对简单的单方程模型，只需求解湍流粘性的 输运方程，不需要求解当地剪切层厚度的长度尺度；由于没有考虑长度尺 度的变化，这对一些流动尺度变换比较大的流动问题不