弯管中液固两相流固粒对壁面磨损的数值模拟_张继军

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1、论论文文广广场场弯管中液固两相流固粒对论论文文壁面磨损的数值模拟张继军1曹会敏2张少峰2广广场场（1　石家庄工大化工设备有限公司河北石家庄050031）（2　河北工业大学天津300130）【摘要】对弯管内液固两相流在低浓度（初始体积分率为3%-8%）中运行的壁面磨损过程进行了数值模拟研究。对不同角度弯管壁面处的磨损率进行了预测和比较，模拟研究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】磨损液固两相流随机轨道模型弯管液固两相流磨损在工业上具颗粒在床层中激烈搅动，颗粒与有广泛的背景。它广泛存在于机颗粒之间、颗粒与反应器壁之间械、冶金、能源、建材、航

2、空、航相互碰撞，固体颗粒不断受到冲天等许多工业部门,已成为材料破击力和摩擦力而发生磨损，而液坏或设备失效的重要原因之一，固流化床换热器的防、除垢性能水力机械如水轮机、水泵、船用螺与颗粒对壁面的磨损特性密切相旋桨、阀门及输送流体的管道均关，因此预测液固两相流化床中会受到不同程度的液固两相流磨固粒对壁面磨损问题是非常必要损损伤。液固两相流化床内由于的，也是当今的重大课题。从液固流化床中磨损产生的原因可知，掌握颗粒在弯管中的运动轨迹对颗粒在壁面的磨损规律有着重要作用。由于场中颗粒的运动受各种力，湍流及水流的影响，使得弯管中的流动比较复杂。目前已经有学者对液固两相的磨损机理进行研

3、究，但是对弯管液固流化床内的磨损规律研究还比较少。近年来，随着计算机计算容量的增大，计算速度提高，以计算流体力学（CFD）为基础的数值模拟迅速发展。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%[1]，即在该范围内，液固流4石油和化工设备2008.02论文广场LUNWENGUANGCHANG化床内颗粒对壁面具有较好的防、表１除垢效果和强化传热效应。该模型的实质就是在Eulerian坐标系下描述流体相运动，在Lagrangian坐标系下处理颗粒相运动，并考虑了两相之间的双向耦合作用，给出了颗粒-壁面碰撞模型和壁面磨损模型，利用这些模型可以

4、模拟颗粒在弯管流化床中的运动轨迹及预测颗粒对壁面的磨损率。1　运动方程1.1流体相运动方程注：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μ为湍流粘度，动为各向同性。液固两相湍流流t动的三维平均微分方程在笛卡儿C、C、C、σ、σ为模型常数，C=0.09，C=1.44，C=1.92，μ1ε2εκεμ1ε2ε坐标系（x,y,z）中的通用形式可表σ=1.0，σ=1.3κε示成：（1）系中考虑，颗粒沿其自身的轨道式中mi为颗粒i的质量，ui为式中，φ为流动参数代表值；运动，在流动过程中，颗粒在场中颗粒i的运动速度；为颗粒所S为源项，T为湍流扩散

5、系数，他们受到曳力、压力梯度力、虚拟质量受的合力。在方程(1)中的值详见表1。此通用力、Basset力、Saffman升力、Magnus在笛卡儿坐标系下的形式（x方程可以采用Patankar[2]提出的升力和重力等力的作用，因此颗方向）为：SIMPLE算法进行数值求解。粒将沿轨道发生速度变化，在沿表1方程（1）中的湍流扩散系其自身轨道运动时，对水流造成（3）数，各源项值及κ-ε湍流模型中了分布于整个体积的物质源、动其中FD(ul-us)为颗粒的单位质的实验系数值量源。量曳力，且对每个单颗粒求解运动控制1.2颗粒相运动方程方程：（4）颗粒的运动在Lagrangian坐标(2

6、)式中ul为液相流速，us为颗粒速度；μ为液相的动力粘度，ρ为液相密度，ρ为颗粒密度，d为颗ss作者简介粒直径，Re为颗粒雷诺数，其定义为：张继军　　（1967—）石家庄工大化工设备有限公司，高级工程师。（5）2008.02石油和化工设备5论论文文广广场场但由于颗粒在流体中受力非求解的。积分后就可以得到颗粒速度指数b(ν)为常量，b(ν)=2.4，常复杂，建立完全普适的颗粒运轨道上每一个位置处的颗粒速度。冲击角度函数为动方程几乎不可能，经过试算和假设在足够小的时间间隔内，各分析各力的大小，虚拟质量力、项保持常量，颗粒轨道方程可以（10）Basset力、Saffman升力、

7、Magnus升简化为：颗粒直径函数为C(d/200)=C（x）=1-e-17.387(x-0.025)力等是非重要力，进行简化是很p必要的，在所有相间力中，曳力相(8)（11）对最重要。对于球形颗粒，曳力系式中，τ为颗粒的弛豫时间。S数采用Haider&Levenspiel[3]的形2　数值计算方法式：1.4磨损模型过流部件表面被固体颗粒撞2.1边界条件和初始条件（6）击而遭磨损的问题是很普遍的，流体相：进口边界上，给定流其中：目前存在很多的磨损模型。固体体初始速度为0.8m/s，假定流动已颗粒在流化床中流动时，对壁面充分发展