基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟

肖龙飞，张锦洲，江一平

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

张雷

(徐州工业职业技术学院建筑学院，江苏 徐州 221140)



基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟

肖龙飞，张锦洲，江一平

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

张雷

(徐州工业职业技术学院建筑学院，江苏 徐州 221140)

基于欧拉模型，利用FLUENT软件对直管湿煤灰固液两相流进行了数值模拟，通过改变水灰体积配比，分析不同体积比的管道流速和压强。研究发现，水灰比体积配对直管流体流动影响较大:煤灰的体积分数从10%增大到40%的过程中，运输的效率越来越高；但体积分数增加到50%及以上时，出现“堵塞”现象，效率下降；煤灰体积分数为40%时管道流体流动效率最佳。

湿煤灰；两相流；欧拉模型；数值模拟

湿煤灰是煤化工的伴生产品，产生量大，成分复杂，且污染环境。随着循环床锅炉技术和高浓度粘稠物料输送技术的日益成熟，采用全封闭管道输送系统输送湿煤灰对锅炉进行燃料供应已经证明是一种新型、高效、节能、环保型的解决湿煤灰问题的最佳手段。由于对输送系统的普遍规律研究仍不够深入，因此，研究湿煤灰管道输送问题越来越引起人们的关注[1]。

物料在管道内的输送主要借助2种介质:一种是液体，即用水或其他液体作为载体，在压力驱使下将物料在管道输送；另一种是使用空气作为载体，固体物料在管道中进行输送[2]。笔者研究涉及的湿煤灰即是前者，属于固液两相流的范畴，物料在常温常压下几乎不流动，颗粒细、黏度大，其特征介于固体/流体之间，其输送过程较为复杂[3]。因此有必要对湿煤灰这种两相物料的管道输送规律进行研究，以达到优化操作工艺、控制物料流动状态、稳定输送的目的。

1　计算模型

1.1几何模型及网格划分

湿煤灰进入燃烧炉前直管段几何尺寸如图1所示， 150mm管径，运输管路长度约2000mm；利用Gambit建立管道模型，并划分网格，如图2所示。

1.2物性条件及数学模型

根据工程实际，管道进口流体的速度大约为1.5m/s，物料含水率为50%，与水相比的相对密度在1.35，此时模拟运输管路长度约2m；物料输送到末端时压力基本消耗完，稍稍大于零；由于锅炉顶部为负压，所以物料能顺畅进入炉体内。

在FLUENT中，共有 3 种多相流模型[4]，即 VOF 模型、混合(Mixture)模型和欧拉(Eulerian)模型。多相可以是液体、气体、固体的任意组合，欧拉模型适合流体中相的混合和分离，并且精度较高，所以，模拟煤灰和水混合的固液两相组合选择欧拉模型。

任何流动问题都必须满足质量守恒定律，在流场中,流体通过一部分控制面A,流入控制体的同时通过另一部分控制面B流出控制体,按照质量守恒定律,流入的质量与流出的质量之差应为零[5，6]，根据质量守恒定律定义,得出固液两相组合的质量守恒方程：

(1)

(2)

2　模拟计算结果与分析

图3　参数设置

在FLUENT中读入网格，检查网格，多相流模型为欧拉模型[8]。两相流分别设为煤灰和水，设置边界条件为速度进口，参数设置具体如图3所示。

2.1水平直管压强分析

设置管道进口流速为1.5m/s，依次模拟煤灰体积分数为10%、40%、50%、65%的两相流在管道内部的流动情况，得出管道内部压强状况如图4所示。

从图4模拟结果可以看出，10%到40%管内压力从进口到出口呈现有规律降压。其中，体积分数为10%的进口最高压强为70.6Pa，出口最低压强为-455Pa；体积比为40%的进口最高压强为497Pa，出口最低压强为-642Pa，压降明显大于体积比为10%的直管道，传输效率也较高。但当继续增大湿煤灰的体积分数到50%、65%时，出现紊乱，传输效率反而下降，管内大部分呈现高压，达到1.32×105Pa，并且随着体积分数的增大，出现高压的区域和数值也在增大。

2.2水平直管流速分析

水平直管道，设置管道进口流速为1.5m/s，依次模拟煤灰体积分数为10%、40%、50%、65%的两相流在管道内部的流动情况，得出管道内部速度状况如图5所示。

从图5可以看出湿煤灰不同体积分数在水平直管道中的运动情况。体积分数为10%、40%可以看出是明显的湍流，流体层之间出现显著的分子团簇的横向掺混，从而使流体层之间的传输效率比层流时仅有的分子扩散传输效率大为增加。其中体积分数10%的出口中心层最大速度为1.76m/s，而体积分数为40%的出口最大速度为1.94m/s。可以看出随着湿煤灰的体积分数变大，传输效率得到提高。但体积分数增大到50%时，颗粒组分增多，堵塞管道流体流动造成停滞，管内速度出现负值。

2.3竖直管道压强分析

竖直管进口端设在下端，湿煤灰由下往上流动，设置管道进口流速为1.5m/s，依次模拟煤灰体积分数为10%、40%、50%、65%的两相流在管道内部的流动情况，得出管道内部压强状况如图6所示。

由图5可以看出，在重力作为阻力的影响下，各区域的压强都明显低于水平管道，但竖直管进出口压强差大于水平管。煤灰体积分数为10%时进口端压强为48.Pa，出口端压强为-10.1Pa。体积分数为40%时，进口端压强为461Pa，出口端为-2270Pa，略低于水平管，但压降还是明显大于体积比为10%的竖直管道。煤灰体积分数为50%、65%时，与同体积分数水平管压强分布规律相似，只是数值略低于同体积分数的水平管。

图4　水平直管流体压强(单位：Pa)状况

图5　水平直管流体流速(单位:m/s)状况

2.4竖直管流速分析

设置管道进口流速为1.5m/s，依次模拟煤灰体积分数为10%、40%、50%、65%的两相流在管道内部的流动情况，得出管道内部速度状况如图7所示。

图6　竖直管道流体压强(单位：Pa)状况

图7　竖直管道流体速度(单位:m/s)状况

从速度云图可以看出不同体积分数的煤灰在竖直管中流速分布情况，体积分数为10%、40%可以看出是明显的湍流。其中体积分数为10%的出口流速为为1.67m/s，最大速度不是分布在中心层，而是分布在边界。而体积分数为40%的出口最大速度为1.94m/s，且分布在中心层区域。同样的增大到50%以上，管内速度出现负值。

从以上模拟结果来看，无论是水平直管还是垂直管，从流速图和压强图综合分析，煤灰的体积分数从10%逐渐增大到40%的过程中，输送的效率越来越高，但是增加到50%及以上时，出现“堵塞”现象，此时，对进口条件提出了更高的要求，即需要更大的进口速度或者进口压强。

3　结论

1)欧拉模型模拟湿煤灰管道输送过程较为合理。

2)从压强方面分析，煤灰的体积分数为40%时，直管道进出口压降最大，输送效率最高。

3)从流速方面分析，煤灰的体积分数从10%逐渐增大到40%的过程中，输送效率越来越高，但增加到50%及以上时，出现“堵塞”现象，效率反而下降。

[1]刘杰，赵奎，许杨东，等.基于L型管道料浆输送性能试验研究[J].矿业研究与开发，2016，36(2)：100～104.

[2]吴迪，蔡嗣经，杨威，等.基于CFD的充填管道固液两相流输送模拟及试验[J].中国有色金属学报，2012，22(7)：2134～2140.

[3]沈家华.深井长距离膏体自流输送技术研究与应用[J].采征技术，2014，14(1):72～76.

[4]赵学义，付建卓，崔玉江，等.煤泥的流变特性实验研究[J].中国矿业大学学报，2006，35(1):75～78.

[5]吴淼，赵学义，潘越，等.城市污泥的特性及管道输送技术研究[J].环境工程学报，2008，2(2):261～265.

[6]包福兵，林建忠，吴法理，等.湿煤灰管道气力输送特性的研究[J].流体机械，2005，33(7)：15～19.

[7]Wu M，Chen J， Zhang N， et al.Design of rheological test system with pressurized pipe flow[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29(7):1450～1454.

[8]谢翠丽，陈康民.煤水两相流动管内表观滑移的数值研究与分析[J].煤炭科学技术，2007，35(11):81～84

[编辑]洪云飞

2016-04-00

国家级大学生创新创业训练计划项目(104892014023)；江苏省科技厅项目(BY2014034)；徐州市科技局项目(XM13B015)。

张锦洲(1976-)，男，博士生，副教授，现主要从事材料加工方面的教学与研究工作；E-mail:zjz1901@163.com

TQ022

A

1673-1409(2016)19-0037-05

[引著格式]肖龙飞，张锦洲，江一平，等.基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(19)：37～41.