弯管中液固两相流模拟~.pdf

第 37 卷 第 3 期河北工业大学学报2008 年 6 月Vol.37 No.3JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYJune 2008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ANumerical Simulation of Liquid-solid Two-phase Flow andErosion-collision in a SyphonZHANG Shao-feng，CAO Hui-min，LIU Yan，GAO Cong(School of Chemical Engineering and Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)AbstractErosion due to particles of liquid-solid two-phase flow forlow concentration(mean solid concentration by vol-ume 3%8%)in a curved duct is numerically studied using the mixed Eulerian-Lagrangian model.The turbulent flowvelocity and pressure distribution are calculated,as well as the erosion rates of different angles of the curved duct are pre-dicted and compared.The numerical results show:The particle distribution of 90 bend pipe is optimal,the maximalerosion rate presents to the range of 40 60 which is the serious region of the collision frequency and intensity.Itprovides a direction for the engineering design of the particles on fouling preventing in multiphase flow.Key wordsliquid-solid two-phase flow；erosion-collision；particle distribution；curved duct；numerical simulation0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 Patankar4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.1Governing Equations of-Model for Equation(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；为颗粒的运动速度；为颗粒所受的合力在笛卡儿坐标系下的形式（方向）为：dd=+(3)其中为颗粒的单位质量曳力，且=182Re24(4)式中：为液相流速；为颗粒速度；为液相的动力粘度；为液相密度；为颗粒密度；为颗粒直径，Re 为颗粒雷诺数，其定义为Re=(5)但由于颗粒在流体中受力非常复杂，建立完全普适的颗粒运动方程几乎不可能，经过试算和分析各力的大小，虚拟质量力、Basset 力、Saffman 升力、Magnus 升力等是非重要力，进行简化是很必要的，在所有相间力中，曳力相对最重要对于球形颗粒，曳力系数采用 Haider&Levenspiel5的形式=Re241+1Re2+3Re4+Re(6)其中1=exp(2.328 86.458 1+2.448 62)2=0.096 4+0.556 53=exp(4.90513.894 4+18.422 2210.259 93)50河北工业大学学报第 37 卷4=exp(1.468 1+12.258 420.732 22+15.885 53)(7)其中：是形状系数，=，是与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒的表面积，是实际颗粒的表面积1.3 磨损模型颗粒冲击壁面时，使壁面产生碰撞磨损，目前存在很多的磨损模型定义磨损率为单位时间内，壁面磨损掉的材质质量与壁面磨损体积之比，在壁面和颗粒材料确定的情况下，磨损率取决于颗粒的冲击速度及角度等因素本文采用一种简单而有通用的磨损模型6-7，其形式为=(8)式中：表示壁面磨损量；表示固体颗粒的质量；为与颗粒性质有关的常数，=1.8109；表示颗粒对壁面冲击角；为冲击角函数；表示颗粒相对于壁面的速度；为速度指数假设颗粒直径相等，对于球形颗粒，我们选取 Lee8和 Bozzini9给出的指数常量=2.4，采用Haugen10所作的假设，的值取 12数值计算方法2.1 边界条件和初始条件流体(水)相：进口边界上，给定水初始速度为 0.8 m/s，假定流动已充分发展为湍流，则可给定湍动能和能耗率为=3202和=3/43/2(9)式中：0为水初速度；为湍流强度，=0.16 Re1/8；为管道的相关尺寸，对于圆管=24 mm颗粒相：采用密度为 2 350 kg/m3，直径为 1 mm 的刚玉球，给定与流体相同的初始速度；忽略颗粒之间的相互碰撞，颗粒碰壁不产生旋转运动，但是要考虑流体颗粒之间的相互作用引起的两相间的双向耦合作用在壁面处，对流体相采用壁面函数法和无滑移边界条件，颗粒相在壁面处不满足无滑移条件，在与壁面碰撞时为弹性碰撞反射；出口边界条件给定压力出口2.2 计算方法及网格划分文中弯管中心线半径和管道宽度之比/=2，网格划分见图 1，网格划分在贴体坐标系下进行，网格单元体为六面体网格图 1几何模型及网格分布Fig.1Sketch map of model and partition of model meshb)网格划分压力出口24300248速度进口480a)几何模型压力出口51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 期首先在计算的第一步，不考虑颗粒源项，即求解出无颗粒时的水流场，以此作为两相流计算的初始场，在所得初始场下求解颗粒运动方程，得出颗粒的运动轨迹，最后利用这些参数和磨损模型计算壁面的磨损率3计算结果和分析3.1 90 弯管外侧壁面的磨损颗粒速度在弯管内达到流化状态时与流体的速度大小相近，但是速度方向偏向外侧壁面并与外侧壁面发生碰撞，如图 25 给出了液固两相在 90 弯头处的压力分布，速度矢量图，颗粒分布图及颗粒对壁面的磨损率图从压力云图 2 可知弯管外侧的压力高于内侧，在内侧压力沿流动方向先降后升，在外侧，压力沿流动方向先升后降故流体相速度如图 3 所示，在靠近内侧处先增加后减小，在靠近外侧处先减小后增加说明了颗粒在接近弯头部分时与液相的相互作用和两相湍流程度显著加强由图 4 颗粒运动分布可知，颗粒首先经历直管段的水平运动，在水平方向主要受来自液相的曳力作用，竖直方向主要受重力作用由于液固两相存在密度差，两相在弯管处表现出不同的运动形式，液固两相分离使颗粒相偏向弯管外侧，使外侧壁面的颗粒浓度大大增加，在靠近弯管出口处，外侧壁面的颗粒浓度达到最大，而在内侧壁面附近的颗粒浓度接近零，出现“无粒子区”这样使得弯管前后的局部区域内，颗粒对其边界层的图 2压力分布云图Fig.2Distribution of pressure图 3速度矢量分布Fig.3Vector of velocity图 4管中颗粒分布Fig.4Distribution of particle图 5管中颗粒的磨损率分布Fig.5Distribution of erosion rate52河北工业大学学报第 37 卷破坏程度显著增加，湍动程度也急剧增加由颗粒对弯管外侧壁面的磨损率云图 5 可知，最大磨损率出现在弯管 40 60 的范围内，是磨损最严重的区域，这与 Kliafas 和 Holt11的试验结果是一致的而磨损速率与碰撞频率和压力相关12，即该区域颗粒对壁面的碰撞频率和强度最大增大颗粒对壁面的速度、颗粒的浓度等，就能增大对壁面的碰撞频率，这对于换热器壁面防、除垢的工程设计具有一定的指导作用3.2 不同角度弯管对壁面磨损率的影响为了进一步验证数值计算模型的适用性，又分别计算了 60，120 弯管内颗粒的分布及磨损率，并将其进行了比较除弯管角度外，模型尺寸、模型参数及操作条件均与 90 弯管相同，可以清楚地看出颗粒流经弯管时的流动状况及经过弯头后的运动情况图 6 9 分别为 120 和 60 管内的模拟结果由图 8 与图 9 的模拟结果对比知：不同角度的弯管，由于其颗粒运动轨迹不同，在外侧壁面的磨损面积也不同120 弯管颗粒主要集中在外侧的壁面，随着轴向的增加，管外侧颗粒层的厚度先增加后减小，但是磨损率却是先减小后增加；60 弯管随着轴向的增加，颗粒在通过弯头后先由外侧壁面运动较短距离后迅速向管内侧散开，之后发展为较均匀分布，但是近内侧颗粒密度较大，对内侧壁面的磨损率也逐渐地增加随着弯头角度的增加，颗粒分布由不均匀逐渐变化到均匀，再渐变到极不均匀；通过对比分析，90 弯管对壁面的磨损面积最小，颗粒主要在管中间部分运动，两侧有较少的颗粒，沿a)120 弯管b)60 弯管图 6压力分布Fig.6Distribution of pressurea)120 弯管b)60 弯管图 7管中速度矢量分布Fig.7Vector of velocity in syphon53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 期轴向对壁面的磨损率趋于 0，颗粒分布较为理想4结论1）弯管的角度对液固流化床内压力，速度的分布有较大的影响，也必然影响到颗粒的分布及颗粒对壁面磨损规律的分布2）用本文的模型模拟液固流化床内的颗粒流动及磨损特性是可靠的，采用本文的计算模型得到的结果，为换热器壁面防、除垢的工程设计提供了一定的指导作用3）随着弯管角度的减小，颗粒在弯头处对壁面的最大磨损点逐渐偏向弯管的进口，但该点的磨损数值却逐渐地增加；120，60 弯管中沿轴线方向，随着轴向增加磨损率先减少后增大；弯管为 90 时综合性能和颗粒分布效果最好参考文献：1 陈冠国，褚秀萍关于冲蚀磨损问题 J河北理工学院学报，1997，19（4）：27-32a)120 弯管b)60 弯管图 9管中颗粒的磨损率分布Fig.9Distribution of erosion ratea)120 弯管b)60 弯管图 8管中颗粒分布Fig.8Distribution of particle in syphon54河北工业大学学报第 37 卷2 董刚，张九渊固体粒子冲蚀磨损研究进展 J材料科学与工程学报，2003，21（2）：307-3123 马颖，任峻，李元东，等冲蚀磨损研究的进展 J 兰州理工大学学报，2005，31（1）：21-254Patankar S V传热与流体流动的数值计算 M张政 译北京：科学出版社，19895HaiderA，LevenspielODragCoefficient andTerminalVelocityofSphericalandNonsphericalParticlesJPowder Technology，1989，58：63-706Tilly G P Erosion by impact of solid particlesA Treatise on Material Science and TechnologyC New York：Academic Press，19797Raask E Tube erosion by ash impactionJWear，1969，13：301-3158Lee B E，Tu J Y，Fletcher C A JOn numerical modeling of particle-wall impaction in relation to erosion prediction：Eulerian versus LagrangianmethodJWear，2002，252：178-1889Benedetto Bozzini，MarcoE Ricotti，MarcoBoniardi Evaluation of erosion-corrosion in multiphase flow via CFD andexperimental analysisJWear，2003，255：237-24510HaugenK，KvernvoldO，RonoldA，et alSanderosionofwear-resistantmaterials：ErosioninchokevalvesJ Wear，1995，186-187：179-18811Kliafas Y，Holt MLDV measurements of a turbulent air-solid two-phase flow in a 90 bendJ Experiment in Fluid，1987，5（2）：73-8512GjaltemaA，vanLoosdrecht MCM，HeijnenJJAbrasionofsuspendedbiofilmpelletsinairlift reactors：EffectofparticlesizeJBiotechnologyand Bioengineering，1997，55（1）：206-215