气固两相流（共11篇）
气固两相流 篇1
0前言
气力输送是以空气为载体在管道中输送粉尘或者固体的技术, 气力输送系统是一种以高压罗茨风机或回转式风机为压气设备, 以气锁阀为供料设备的输送系统。气力输送技术因其具有输送效率高、能耗低、污染少、设备简单可靠等优点现在越来越多的用在发电、食品加工、化工等领域。
气力输送过程中, 压力沿着管道是逐渐降低, 这会使得空气膨胀, 气体与固体的相对速度增大, 导致气固两相对管道的撞击和磨损加剧, 输送距离越长, 磨损越严重, 在管路系统中安装一个扩张型的管道能有效的缓解这个问题。王琨等人用试验的方法得出了在水平渐扩管气固输送能力与固气比、扩散角、管径比等因素有关。李勇等人对试验进行了改进, 得出了管路系统安装一个渐扩的管道能有效缓解气固在运行中的磨损问题。衣华等人通过对渐扩管的研究发现渐扩管能使得气流速度减低, 把气体速度能转变成压力能, 从而减小气固对管路的磨损。
可以看出, 对气力研究管路的研究目前已经取得了很大的成就, 但大部分人仅仅集中在试验研究这块, 很少有人从理论和模拟的角度对其机理进行分析。本文利用FLUENT软件对气固两相流在水平扩散管中的流场、压力场规律进行分析。
1 模型建立
1.1 物理模型建立
渐扩前后两管段管径分别由d与D表示, 其值分别为60mm和80mm;扩散角度分别为4°6°、8°、10°、12°。管路总长为900mm。
1.2 理论模型建立
1.2.1 基本假设
选择主控方程为N-S方程, 为了便于计算, 忽略一些对研究重点和预期没有影响或者影响很小的因素, 作如下基本假设:
(1) 忽略气体体积力的作用;
(2) 介质为牛顿流体, 即剪切应力与速度梯度成正比;
(3) 表面无滑移, 即附着于界面上的流体质点的速度与界面上该点的速度相同;
(4) 与黏性力相比, 忽略惯性力的影响, 包括流体加速度的惯性力和流体膜弯曲的离心力;
(5) 模拟过程中, 气体与固体无滑移动, 即气体与固体速度一样。
1.2.2 理论模型建立
(1) 雷诺方程。基于以上假设, 由黏性流体运动方程 (NavierStokes方程) 推导出适合本研究模型的理论方程为:
连续相动量方程为:
其中:i为体积分数;i为密度;uir为速度矢量;i为切应力, 下标i和l分别代表气相和固相;p为压力;Kil为动量交换因数, t为时间, g为重力加速度。
1.3 湍流模型
假定从进口进入的气固混合相是恒定的, 基于时均化的Navi er-Stokes方程, 采用标准的k-ε湍流模型来确定湍流黏性系数。气固交换系数采用Wen-Yu模型, 颗粒碰撞归还系数设为0.85;采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合方程组, 控制方程对流项的离散采用一阶迎风格式, 扩散项、源项采用中心差分格式。
2 边界条件设定
边界条件设定。根据水平渐扩管的特点, 由连续介质假设和质量守恒定律设定进口为压力进口, 进口压力为0.1MPa, 湍动能的进口值取进口平均动能的0.5%, 进口湍动能耗散率按照下列公式计算:
其中:Kin为进口处的湍动能;yin为近壁计算点到壁面距离;K为卡门常数, 取K=0.42.出口为自由出流, 固体壁面满足无滑移边界条件, 湍流壁面采用壁面函数边界条件。
3 模拟结果及分析
本文模拟了固体颗粒的体积分数为5%, 颗粒直径为0.005mm扩散管扩散角为4°、6°、8°、10°、12°这5中工况下的内部流场、压力场、湍动能场情况, 通过模拟结果渐扩管气固两相流的一般规律以及不同角度扩散管对其的影响规律。
图3是扩散管在6°时固体颗粒在管道中的分布情况, 从图中可以看出, 在进口处, 固体颗粒的体积分数为5%基本不变, 但当进入扩散区后, 固体颗粒的百分比沿径向分布是壁面附近低, 中间区域高, 因而在同等条件下, 采用扩散管进行气力输送时, 扩散区域壁面磨损较小。
图4、图5分布为渐扩管压力分布图、速度分布图。从图中可以看出, 在渐扩管进口端, 压力低, 速度高, 而在渐扩区域, 压力呈现梯度变化, 压力逐渐变大, 气固速度逐渐变小, 渐扩区域结束完后, 压力和速度基本保持不变。经过渐扩管后, 压力升高, 速度降低, 这不仅仅可以提高气力输送的距离, 因速度降低, 可以减小固体颗粒与输送管路壁面的碰撞相对速度, 降低管道的磨损, 提高管道使用寿命。
图6为湍动能分布云图, 湍动能越高, 表明两相流消耗的能量越多, 这是因为湍动能越高, 流体涡旋越强烈。从图中可以看出, 湍动能最高的区域不是发生在渐扩区域, 而是在管道没变化的区域, 渐扩部分湍动能最低, 能量损失最小。这说明渐扩管具有节能的效果。
图7为不同扩散角的水平渐扩管渐扩区域湍动能的平均值的对比图, 从图中可以看出, 随着角度的增大, 湍动能先是逐渐减小, 8°角时, 湍动能最小, 当角度超过8°时, 湍动能不断增大。这说明对于此模型下的渐扩管, 8°是其最优的扩散角。
4 结论
本文应用Fluent软件模拟水平渐扩管气固两相流流场, 通过分析得到如下结论。
(1) 渐扩管渐扩区域, 固体颗粒壁面附近浓度较低, 离壁面越远, 颗粒浓度越高, 这说明渐扩管可以减小颗粒与固体颗粒的碰撞, 减小管路的磨损, 延长管路使用寿命;
(2) 因渐扩管的作用, 使得管路内混合物的速度能转化成压力能, 这不仅提高了混合气体的运输能力, 而且可以降低混合物与壁面碰撞的相对速度, 提高管路的使用寿命;
(3) 对于本文所用的模型, 当渐扩管渐扩角度为8°时, 此时的湍动能最小, 能量损失最小。
参考文献
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气固两相流 篇2
【摘要】本文详细介绍了运用Matlab程序软件，对风洞实验中获得的沙粒运动连续高速摄影图像进行程序自动叠加的处理方法，以及对所得图像中运动粒子特征参数的提取和数据的导出途径。这种方法大大提高了风沙两相流高速摄影图像的处理速度，同时最大程度上保持颗粒特征参数提取的完整性和精确性，为风沙起动的研究提供了一种新的途径。
【关键词】Matlab；高速摄影图像；图像叠加；颗粒信息提取和导出
0.引言
沙粒起动形式、起动机制是风沙物理学中风沙运动的关键问题，在学术界中还存在着众多的争议[1]。关于沙粒起动形式和启动机制的研究主要是通过对两相流图像的处理分析来实现。当今两相流图像处理有很多方法[2-4]，通过不同的手段和原理来达到颗粒信息的恢复提取。本文基于Matlab图像处理知识和Matlab函数编译功能[5,6]，总结整理出一种风沙两相流高速摄影图像处理的可行性方法。该方法即提高了图像处理的效率又保证了信息结果的准确性和可靠性，是一种适用性广的风沙图像处理手段。
1.图像的自动叠加处理
1.1分析目标文件夹文件结构并赋予代号
使用dir函数获得指定文件夹下的所有文件,并存放在文件结构体数组中，然后循环处理文件夹里的文件。获取目标文件夹里的文件结构，利用循环语句给每个子文件分别赋予一个号，方便接下来对每个文件的调取处理。
2.轨迹信息提取和数据的导出
2.1颗粒信息提取
2.2数据导出到Excel表
3.结语
本文依靠Matlab工具强大的图像和数据处理功能，完成了风沙两相流高速摄影图像的自动叠加处理和颗粒信息参数的人工恢复提取及数据的导出工作。这种图像处理方法在保证信息提取可靠性的基础上，又提高了图像处理的工作效率，同时这种方法具有很广的适用性，为图像处理类工作提供参考作用。[科]
【参考文献】
［１］董治宝，郑晓静.中国风沙物理研究五十年(Ⅱ)[J].中国沙漠，2005,25(6):795-812.
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［５］龚纯，王正林.Matlab语言常用算法程序集[M].电子工业出版社，2008.
气固两相流下球阀磨损特性研究 篇3
在石油天然气工业中,旋塞球阀常被用于钻柱内防喷系统,以预防和处理钻柱内井喷,但近年钻井技术的充分发展使得钻具的工作环境越来越恶劣,钻柱常受到含有固体杂质的气流或液流对其的冲蚀而发生磨损[1],而旋塞球阀作为钻柱的关键设备,其在气固 两相流下 受磨损而 失效的现 象尤为严重[2]。
阀门的磨损问题广泛存在于含固相颗粒输送的工程中,因此许多学者针对阀门的这一问题进行了试验研究。Nфkleberg等[3]对石油天然气工业上常用的针形节流阀进行了关于冲蚀磨损问题的试验研究,观察并分析了阀门各处在气固两相流下的磨损情况。Wheeler等[4]对近海闸阀在不同内涂层下的壁面磨损情况进行了试验研究,并观察了受到磨损后闸阀壁面的微观形态。Fang等[5]针对电液伺服阀的冲蚀磨损问题建立了物理失效模型,并对模型的准确性进行了实验验证。但是由于实验研究常受到现场条件的限制,且通过实验只能得到阀门磨损的总体质量损失,但得不到具体的磨损集中区单位面积上的磨损速率,而实际生产中阀门的失效形式常为局部的壁面减薄和穿透,因此越来越多的专家学者尝试利用数值模拟方法对各类阀门在含固相颗粒输送过程中的冲蚀磨损问题进行研究。Forder等[6]在CFD软件中建立冲蚀磨损量计算模型,并据此对控制阀的磨损情况进行了预测。Atkinson等[7]自行设计了应用于石油天然气工业的抗蚀阀流体通道,并利用CFD软件分别对其在含砂气流下的磨损情况进行研究。Zhu等[8]应用Fluent软件对针形阀在气固流下的磨损特性进行了研究,并对阀芯进行了流固耦合条件下的位移模拟。
由于钻柱内球阀随钻杆在地层中工作,因此对其开展现场实验较为困难。而为了防止发生因球阀受到磨损而失效所导致的井喷事故,利用数值模拟方法对球阀进行气固两相流下的磨损特性研究很有必要。
1 球阀物理模型及模拟条件确定
流道直径为80mm的球阀在任意开度下的结构及其尺寸如图1所示,为使湍流充分发展,在球阀前后增加了一定长度的直管段。并以开度50% ,流道直径80mm作为球阀的标准状态。
根据生产中的实际情况确定模拟条件,本研究中所选用的连续相介质为甲烷,考虑到流域进出口温度变化较小且气体流速不高,故将连续相介质设置为不可压缩流体,其密度为0. 6679kg /m3,动力粘度为1. 087×10- 5Pa·s; 固体颗粒简化为球形,其直径为100μm,密度为2700 kg /m3; 而球阀为 碳钢球阀。
2 数学模型的建立
2. 1 气体控制方程及 RNG k - ε 模型
气体的连续性方程及动量方程分别为:
式中,ρ为流体密度,kg /m3; t为时间,s; ui、uj是流体时均速度分量,m/s; p为流体微元体上的压力,Pa; μ为流体动力粘度,Pa·s; Si为动量方程的广义源项。
为使方程组封闭,必须选用合适的湍流模型。RNG k - ε模型作为标准k - ε模型的改进模型,可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动,包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、边界层流动等,因此本研究中选用RNG k - ε湍流模型,其输运方程可见文献[9]。
2. 2 离散相颗粒轨道计算模型
Fluent中的离散相模型( DPM) 只考虑气体与颗粒之间的相互作用,而不考虑颗粒间的相互作用,故可用来模拟湍流中稀疏颗粒相的运动。运用离散相模型进行模拟时要控制颗粒体积分数小于10% ,但其质量承载率可以大于10% 。
基于拉格朗日法的离散相颗粒作用力平衡微分方程在x方向上的形式为:
式中,up为离散相颗粒的速度,m/s; u为流体流速,m/s; t为时间,s; FD( u - up) 为颗粒在单位质量下的曳力; gx为重力加速度在x方向上的分量,m / s2; ρp为颗粒密度,kg /m3; ρ为流体密度,kg /m3;Fx为单位质量下其它作用力在x方向上的分量。
2. 3 磨损量计算模型
Edwards等[10]研究了固体颗粒对碳钢和铝的冲刷磨损,并在综合考虑了多种因素的基础上提出了一种磨损速率计算模型,而考虑到本研究中所选用的球阀材料为碳钢,故选用Edwards模型作为磨损量计算模型,其表达式为:
式中,Rerosion为壁面的磨损速率,kg /( m2·s) ;Nparticles为与壁面碰撞的颗粒数; mp为颗粒的质量流量,kg /s; α为颗粒与壁面的碰撞角度,rad; f( α) 为关于颗粒碰撞角度的函数; v为颗粒相对于壁面的速度,m/s; b( v) 为关于此相对速度的函数; A为与壁面材料有关的系数; Fs为颗粒的形状系数,尖锐颗粒取1,半圆形颗粒取0. 53,圆形颗粒取0. 2; Aface为壁面上计算单元的面积,m2。
3 网格划分及边界条件
气体入口采用速度边界条件,大小为20m/s,出口采用自由流边界条件,壁面无滑移。固体颗粒由入口面释放,且其进入速度等于入口处的流体速度。颗粒相在壁面处的边界类型为反弹( reflect) ,在出口处的边界类型则为逃逸( escape) 。另外,颗粒质量流量设置为16. 286kg /s,此条件下固体颗粒体积浓度约为6% ,符合Fluent中离散相模型的相关要求。
进行网格划分时,对流体域设置全局单元尺寸,并对球阀内部通道处的流域进行局部加密。而通过对网格及释放颗粒数无关性的研究,最终确定将全局单元尺寸设置为6mm,加密处单元尺寸设置为1.5mm,而由入口释放的颗粒数为15000。
4 结果讨论与分析
4. 1 颗粒运动规律及壁面磨损分布情况分析
颗粒对壁面的碰撞是造成其受到磨损的最主要原因,因此其在整个流体通道内的运动轨迹是研究壁面磨损分布的主要依据。而由于在上、下游直管段大部分区域随流运动的颗粒与壁面产生的碰撞很少,因此该区域壁面的磨损量可忽略不计。可以通过对图3中颗粒运动轨迹和图4中垂直于Z轴的截面颗粒质量浓度分布的分析,来研究图2中磨损集中区的成因。以标准状态下的球阀为例,当气固流流经球阀时,球阀壁面会产生三处磨损集中区( 图2中的1、2、3) ,其中,图2中1区域处位于球阀入口处的阀球外壁,颗粒在此处发生碰撞后的轨迹受球形凸面影响较大,且绝大多数颗粒在碰撞过程中动量损失较大,因此这些颗粒在1区域发生碰撞后会被流速较大的气流直接带入球阀内部,或在上游直管段处与壁面发生二次碰撞后随流进入球阀内部( 图3) ,而由图4( a) 可知,球阀入口附近流域的右侧因颗粒碰撞阀球外壁后反弹而浓度较大; 2区域处位于球阀内通道的一侧壁面,该处产生磨损的原因主要是阀球内通道与颗粒运动轨迹形成了一定角度,而无论与阀球外壁碰撞与否,大部分颗粒都在惯性力的作用下于球阀入口处与气流分离,而由图4( b) 可知,在球阀入口处与气流分离后的颗粒主要偏向一侧运动,并在该区域壁面上发生碰撞; 3区域处位于靠近球阀出口的下游直管段,该处壁面因受到从球阀出口处流出的颗粒的碰撞而产生磨损,这些颗粒同样是在自身惯性的作用下于球阀出口处与气流分离,并在随后与下游段壁面发生碰撞的,而由图4( c) 也可知,在球阀出口附近的流域内颗粒偏向一侧聚集,并于下游直管段壁面发生碰撞。
4. 2 球阀结构参数对壁面磨损的影响规律
球阀的结构参数包括开度和流道直径两方面。为探究在其它条件不变的情况下开度对于球阀磨损情况的影响,共设置了15% 、25% 、50% 、75% 共4种不同的球阀开度。如图5、6所示,球阀开度变化对其壁面磨损的分布和大小均有影响。随着球阀开度的减小,其壁面处的最大磨损速率和总体质量损失均会相应增大,且增大速率随着开度的减小而加快; 另外,当开度逐渐减小时,阀球通道内壁上的磨损集中区 ( 图2中2区域) 会由块状逐渐转至带状,且下游段磨损集中区( 图2中3区域) 会逐步向下移动。出现上述的变化是因为当球阀开度减小后,球阀出入口处的过流截面更加狭窄,气流在该处的速度变化更为剧烈,且对固体颗粒的作用更加明显,使其在分离后能以更大的速度冲击阀球通道内壁面,虽然球阀开度的变化会改变颗粒冲击壁面时的攻角并进而影响磨损量,但与气流对颗粒的加速作用相比,攻角变化对于磨损量的影响要小得多。因此,随着球阀开度的减小,壁面磨损速率的最大值和总体质量损失均会增大,且磨损速率最大的区域会出现在阀球内壁上; 球阀开度的减小同时意味着阀球内通道和直管段之间的夹角更大,这使得阀球通道内壁沿气流方向上可与固体颗粒发生碰撞的区域更大,故该处集中区会由块状逐渐转化为带状,除此之外,夹角的增大也会使固体颗粒在阀球内壁碰撞后以一个较大的角度发生反弹,而这会使得下一次与颗粒发生碰撞的区域更加靠近球阀出口处,故下游段磨损集中区会逐步向下方移动。
流体通道直径的变化也会对球阀壁面的磨损产生一定的影响。为探究在其它条件不变的情况下流道直径对于球阀磨损情况的影响,共设置了65mm、80mm、100mm、125mm共四种不同的球阀流道直径尺寸。如图7、8所示,球阀壁面的最大磨损速率和总体质量损失均随流道直径的增大而减小,但磨损的分布情况变化不大。这是因为当阀门开度保持不变,而流道直径增大时,阀腔的内部空间会变大,而流体在流经阀球时,其速度剧烈增大的趋势将会减缓,固体颗粒对壁面的冲击强度也会随之减小,故球阀壁面的最大磨损速率和总体质量损失均随流道直径的增大而减小,但流道直径的增加并未改变流体通道的总体构造,故并不会对球阀壁面整体的磨损分布情况产生大的影响。
5 结论
1) 当气固两相流流经球阀时,其壁面上共存在三处磨损集中区,第一处位于球阀入口处的阀球外壁上,此处颗粒与壁面碰撞后的轨迹受球形凸面影响较大; 第二处位于通道内低速区一侧壁面上,这个区域内的磨损主要是由固体颗粒在球阀入口处与气流分离后冲击阀球通道内壁而产生的; 第三处磨损集中区在球阀出口处附近,固体颗粒在阀球内壁处发生碰撞并反弹,在自身惯性作用下于球阀出口处与气流分离并冲击壁面,最终造成该区域的磨损。
2) 重点研究了球阀结构参数( 开度、流道直径)的变化对球阀壁面磨损的影响,球阀开度及流道直径的减小均会使壁面上最大磨损速率和总体质量损失增大,但只有开度的变化才会对磨损分布产生较大的影响,且当开度减小时,位于通道内壁的集中区( 图2中2区域) 由块状逐渐转变为带状,而球阀出口附近的集中区( 图2中3区域) 则逐渐向下移动。
气固两相流 篇4
颗粒轨道模型用于烟气脱硫喷淋塔两相流数值模拟
以FLUENT软件为计算工具,采用Euler-Lagrange方法模拟喷淋塔内部气液两相流动.气相用标准k-ε湍流模型描述,喷淋液滴用颗粒轨道模型描述.综合考虑颗粒受力分析、颗粒湍流扩散以及气液两相耦合3方面影响因素对颗粒轨道模型进行设置,从液滴粒径分布、液滴出口速度、喷淋夹角3个方面对喷嘴射流源进行精确定义.模拟结果表明:喷淋塔内轴向气速分布均匀;中空锥形的喷嘴设计使喷淋液形成伞状雨帘,有效防止烟气短流;塔内液滴浓度分布存在中间高、边缘低的问题,可通过改进喷嘴布置方案加以改进;颗粒轨道模型能够较好地预测喷淋塔内两相流动.
作 者：赵 田贺忠 郝吉明 张华 刘汉强 ZHAO Zhe TIAN He-zhong HAO Ji-ming ZHANG Hua LIU Han-qiang 作者单位：赵,田贺忠,郝吉明,ZHAO Zhe,TIAN He-zhong,HAO Ji-ming(清华大学环境科学与工程系,北京,100084)张华,刘汉强,ZHANG Hua,LIU Han-qiang(北京国电龙源环保工程有限公司,北京,100761)
刊 名：环境科学 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCE 年，卷(期)： 26(6) 分类号：X701.3 关键词：颗粒轨道模型 烟气脱硫 喷淋塔 数值模拟清风明月两相谐 篇5
李白
五陵年少金市东， 银鞍白马度春风。
落花踏尽游何处，笑入胡姬酒肆中。
少年行
王维
一身能擘两雕弧，虏骑千重只似无。
偏坐金鞍调白羽，纷纷射杀五单于。
在古典诗歌史上，以“少年”为题材来歌咏少年意气风发、志在凌云的诗作不乏其篇，其中以李白、王维诗作中所塑造的少年形象最为人所称道。李白和王维都曾以《少年行》这一乐府旧题，写下了歌咏少年的组诗。上面所选的两首诗，分别是两人组诗中的一首。这两首《少年行》，都沿用乐府旧题，以极其简练的笔墨，向读者勾画少年形象，摹写其个性，十分传神。
细读这两首诗，我们可以看出，两首诗所塑造的少年形象是各有特色的。李白是一个浪漫主义诗人，青少年时期便醉心于剑术，白马西风，仗剑出行；再加上他为人洒脱，豪爽豁达，于是折射在他的诗作上，往往出现的是豪侠少年的形象。其《少年行》用寥寥数语，把一个骑马赏春、豪放不羁的风流少年塑造得栩栩如生，呼之欲出。从中我们不难窥见任气逞能的少年李白的影子。而王维的《少年行》却为我们塑造了一个武艺趋群、威猛顽强、战功赫赫的少年英雄形象?王维往往被后世视为隐逸诗人，原因在他多诗情画意的山水诗。其实，早年的王维胸怀建功立业的壮志，这首诗就是他早年的理想、豪情的写照。同是写少年，我们不难看出，李诗突出的是少年豪爽倜傥之个性，王诗突出的则是少年勇猛杀敌之气概，形象是不同的，
从内容来看，李白的《少年行》把少年置身于一个春光明媚的背景中，紧扣其豪爽这一个性特点下笔。这五陵少年骑着骏马出游，奔驰于花丛柳陌，春光无限，赏春之情盎然，其豪放不羁的个性已初见端倪，而他“笑人胡姬酒肆中”，则将这一个性充分地展现了出来。“笑”字可谓点睛之笔，不仅着眼于视觉，使人如见其貌，也不仅诉诸听觉，让人如闻其声，而且是更显其神——豪放不羁的个性，风流笑傲的豪情。也正是这一“笑”字使此诗中的少年形象有别于王维笔下的少年。王维的《少年行》围绕“英雄”做文章。首句写其射技超群。诗人写少年力大无比，可左右开弓，能同时掰开两张硬弓。如此威力，自然令人刮目相看。次句写少年临阵胆气。“虏骑干重”写出少年英雄闯荡于群骑之中，如入无人之境，一个气贯长虹，武艺高强的少年形象跃然纸上。第三句写其战斗风姿。诗人以“金鞍”为映衬，先摆出少年“偏坐”这一姿势，又以“调白羽”这一特写镜头突出少年的雄姿英发。最后一句借“五单于”纷纷被射于马下的画面，再现少年所向无敌，杀得匈奴溃不成军的辉煌场面。全诗成功地塑造出了一个威风凛凛、驰骋沙场的英雄少年形象，构思巧妙。
从语言风格上来看，李白与王维这两首诗都属于豪放一类，但细加品味，就可见出其中差异。李诗意在表现少年的豪爽倜傥，诗的语言豪迈俊爽，乍一看似乎不及王诗语言显得气势恢宏，其实是寓刚于柔，刚柔并济，浑然天成；王诗意在突出少年的英雄气概，其语言气势宏大，雄壮豪放，读来令人胸怀畅阔。
气固两相流 篇6
关键词：气固两相流,阵列式静电传感器,电路,互相关,颗粒速度
在火电厂运行过程中,锅炉燃烧系统输粉管内的煤粉浓度、速度是非常重要的参数。煤粉流速直接影响风管内送粉的均匀性、炉内工况的稳定性和锅炉的燃烧效率。因此,研究一次风煤粉流速测量技术,寻求适合电厂运行在线监控的煤粉流速测量方法,有着十分重要的意义。
近年来,已有多种研究手段和方法应用到两相流的参数检测中来,对于两相流参数的研究具有很重要的意义。气固两相流颗粒运动参数的获取有2种方法:通过理论分析、数值模拟方法获取;利用气力输送试验结合相应数据处理手段获取[1]。目前应用较多的方法有:电容法、差压法和静电法,与其他方法相比,静电法成本低廉,可实现无干扰测量,是目前研究的热点。Hammer等给出了电容传感器空间滤波法理论分析和实验验证[2];Green等对电动传感器空间滤波法进行了理论分析[3];许传龙等对环型静电传感器空间滤波法测量速度进行了分析和实验验证[4,5],Yan等对点电荷环型静电传感器的数学模型进行研究[6],将单一环形电极与神经网络技术相结合测量气固两相流中固体颗粒的速度和质量流量;他们通过BP网络建立了静电信号特征量与这两个参数之间的关系,通过实验表明固体质量流量和流速的相对误差在15%之内[7];Carter等将静电传感器与数字图像法结合使用在线测量固体颗粒的粒径分布和质量流量[8]。文献[9]在建立空间模型的基础上研究了插入式静电传感器的空间滤波特性和空间灵敏度特性;对于两相流参数的研究还有微波法、激光法、能量法等方式[10]。上述各种方法在气固两相流参数检测领域取得了重大进展,但主要集中于气固两相流流动参数检测的相关研究,形成相关优化装置并应于现场的研究成果在国内外更是寥寥无几。其方法仍然存在一定缺陷,如插入式静电传感器易磨损导致其维护成本较高、圆环式静电传感器安装相对麻烦等。
本文从煤粉流速对电厂运行的实际意义出发,研究了适合电厂运行而又经济实用的测试手段,并分析了相应手段在实测中的问题。采用新型的阵列式静电传感器结合经典的多路互相关技术,通过实验研究实现流速检测,信号感应灵敏,避免了固体颗粒随机扰动对测量结果的影响,安装容易,维护方便,成本低,数据重复性好,可稳定输出可靠的检测数据。
1 静电传感器
固体颗粒在运动过程中,由于固体颗粒与管壁之间的摩擦、颗粒与空气间的相对运动及颗粒间的相互碰撞等,固体颗粒表面会积累一定的静电,颗粒静电载有大量的颗粒动态信息,这是颗粒流动特性、输送管道、固体颗粒本身等相互作用的体现。该电荷可由金属电极来感应并由此产生静电信号。
1.1 阵列式静电传感器的设计
目前,火力发电厂企业针对煤粉流速的测量,主要利用静电感应原理,使用的传感器大都为插入式传感器,该传感器易磨损,后期维护成本较高;圆环式传感器目前处于试验研究阶段,存在安装困难的缺点。本文设计了新型阵列式静电传感器,在实现流速检测的同时可降低成本,易于安装。目前对于该类型传感器的研究还比较少,基于此结构的相关装置也非常少。
设计的阵列式静电传感器的结构如图1所示,该传感器为两排四电极结构形式,主要由电极片、绝缘管道和金属屏蔽罩三部分构成。电极片组成的环状阵列均匀的安装在管道内壁,管道外壁安装金属屏蔽罩,以减少外界环境对信号的干扰。
1.2 静电传感器等效电路
实际上,传感器由传感器电极片和检测接口电路构成,颗粒流动过程摩擦产生电荷,电极片由于静电感应效应产生静电荷,从而产生空间电场,感应电荷的量随电极感应区域中的电场的变化而改变。假设电极片上感应到的电荷为q(t),则传感器接口电路处输出信号可转化为电压信号来进行检测,静电传感器及其接口电路的等效电路如图2所示。
q(t)为传感器电极片的感应电荷,Ce、Re分别为传感器电极自身的等效电容和等效电阻,Ri、Ci分别为处理电路前置放大级的等效电阻和等效电容,由基尔霍夫电流定律可得:
式(1)中,
对式(1)进行拉普拉斯变换得:
当|sRC|<<1时,感应到的电荷量近似等效为:
u(t)≈Rq'(t)(3)
由上述分析可以确定传感器电极上感应到的电荷量与电压存在一定的关系,可以将其转化为电压信号进行检测。
2 静电传感器输出信号处理电路
为了检测信号,设计了信号处理电路。事实上,静电传感器输出信号处理电路的设计是实现检测功能的关键。传感器输出的信号是一种低频微弱的电荷信号,频率一般在0~1 k Hz之间,同时具有较高的源阻抗。在实际检测过程中,很容易出现电荷泄漏,从而导致测量误差。设计的检测电路必须具有高精度、高分辨率、低时温漂移、强抗杂散电容和外电场干扰能力。
根据上述分析,本文设计的信号处理电路主要包括前置放大级输入电路、高通低通滤波电路、50 Hz滤波电路、可编程增益控制电路和电压调整输出电路等,为了验证设计电路的可行性,在开发前通过模拟试验进行验证,部分处理电路原理图如图3所示。
3 速度检测原理
设计的八片阵列式电极结构完全相同,上下传感器的间距为100 mm,基于此结构,可以通过基于波形的方法实现求取固相流速。一种基于波形的两相流速检测方法为在实验时记录固体颗粒流经上下游传感器时刻t1和t2,分析得到的信号,把大于一定阈值的峰值时刻记录下来,再用传感器间距除以得到的时间差,得到多个流速,再取平均值作为固体颗粒的平均流速。这种基于波形的流速检测方法在应用于流速检测计算时,由于固体颗粒的流动比较复杂,产生的信号也就具有随机性,记录大于某一阈值的峰值位置时,可能会有多个峰值位置出现,如何通过哪两个峰值位置去求延时时间不能确定,由此会带来一定程度的误差。文献[11]通过这种方法来确定固体微粒的平均流速。
另一种基于波形的流速检测方法为互相关算法,互相关算法通过两路信号的相似程度来确定两路信号的延时时间,本文设计的上下游传感器的间距比较小,固体颗粒流经传感器的速度比较快,当固体颗粒的静电信号在上游传感器感应出信号x(t),在极短的时间后信号会重复出现在下游传感器,传感器的位置和固体颗粒流速保证了两路信号具有较高的相似程度,经过算法运算可以有效求出两路信号时延。基于以上对比分析,选择基于互相关算法通过实验来求取两相流的流速。基于互相关算法流速检测的原理:
假设x(t)和y(t-τ)为两路连续的随机过程,如果x(t)和y(t-τ)是波形十分相近的信号,对于它们的互相关函数可以表示为:
当x(t)和y(t-τ)是同一信号时,式(4)为x(t)的自相关函数[12];当x(t)和y(t-τ)不是同一信号且波动状态十分相近时,式(4)中x(t)和y(t-τ)的互相关函数Rxy(τ)会在某一时刻出现峰值,此峰值对应的时刻τ0为信号x(t)和y(t-τ)的时延。实际实验中采集到的数据为离散型数据,此时设流体流经上下游传感器时产生的信号分别为x(n)和y(n),两个序列的离散化相关函数可以表示为:
对两路数据经过互相关运算,得到离散的序列Rxy(m),通过峰值检测函数对这个序列取最大值,此时对应的m值为要求的渡越点数,令m=m0,求得渡越时间为t=m0T,本文设计的上下游传感器电极间距为L=100 mm,由公式v=L/t可以求出流经传感器的固体颗粒速度[13—15]。
4 实验装置及结果
4.1 实验装置
目前气固两相流参数检测装置有气动式和自由落体两种形式,选择自由落体方式模拟气固两相流进行参数检测,设计的实验系统如图4所示。
图4中实验系统主要包括:支架、PPR管道、漏斗、静电传感器、屏蔽罩、采集系统等[[18]。实验系统的具体参数为:管道采用外径110 mm、厚度为15.1 mm的PPR管道,电极采用厚度为1 mm、长30 mm、宽10 mm的铜片,具有良好的导电性能,感应灵敏,一共两排,每排四个电极;电极外侧采用直径150 mm的金属屏蔽罩对电极进行屏蔽,以减小周围环境的干扰,电极安装在管道内壁,作为管道内壁的一部分,采用尽可能短的单芯屏蔽导线将传感器电极和信号处理电路相连接,利用数据采集装置采集数据,通过计算机接收并存储;实验采用直径3~5 mm的聚乙烯颗粒,主要原因是聚乙烯的绝缘性能较好,在运动时容易产生静电;在管道顶端安装漏斗,确保固体颗粒具有零初速度。
4.2 实验结果及讨论
实验采用自由落体方式,理论速度可由自由落体速度公式计算,传感器距离阀门高度为1.2 m,重力加速度取g=9.8 m/s2,由此可得理论速度为v=4.849 7 m/s,上下游传感器之间的间隔为L=0.1 m,理论上的渡越时间为t=L/v=0.1/4.849 7=0.020 6 s。
其中一次实验采集到的信号如图5所示。
观察图5,各路信号开始发生变化的时间基本相同,各路的波动幅度有所差别,这是由于传感器和处理电路都是手工制作的,同时由于颗粒流动过程中产生的信号随时在变化,最终使感应到的信号会有所差别。设计的传感器分别标记为A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2,A1和A2为一组上下游传感器,同理,B1和B2为一组,依次类推,对求得的四组速度值求平均值作为速度计算值。
针对采集到的信号,首先采用一种比较直接的验证方法,对采集后的某组上下两路信号放大观察某些位置处的波峰之间的渡越点数,进而求得延迟时间和速度,经实际验证证明,这是一种较为有效且简单的方法。例如对检测得到的某组上下两路信号,得到其波动形式后,随机对某一位置处的信号放大后观察如图6所示。
通过直接数点计算得到的速度都接近于理论计算值。为了消除偶然因素,对多次试验得到的信号进行相同计算后,结果基本相同,由此可以判断采集信号的正确性,不过也会出现某些位置的结果偏离理论计算值的情况,这是由于信号中夹杂着相当多的噪声信号,会对直接观察的结果造成一定程度的影响。这可以作为一种验证方法,不能通过该方法直接去计算并确定速度值。
由于静电传感器输出信号的曲线上各点的离散程度较大,给计算结果带来一定程度的误差,因此须先对曲线进行平滑处理再进行运算以提高测量精度。通过上位机编写算法程序,对多路采集数据执行相同算法操作,速度测量值与自由落体速度理论值的相对误差如图7所示。
分析图7的实验结果,计算值与理论值的相对误差在10%~16%之间,总结速度计算值与理论值存在误差的原因为:由于固体颗粒运动的随机性和周围环境的干扰,导致上下游传感器感应到的信号波动不一定完全相同;由于干扰的存在,处理电路在放大电信号的同时,也放大了干扰信号,由于干扰信号的存在,会对相关算法的计算结果造成一定程度的影响。将图7结果与直接数点得到的结果比较,直接观察信号计算得到的结果作为验证方法较为有效,但是结果的波动比较大,而互相关时延估计计算出的固体颗粒流速具有较好的一致性,互相关函数具有抗干扰能力,同时可以避免人为误差,可以得到较为稳定的结果。
为了消除偶然因素和验证实验系统的稳定性,进行了多次试验并对结果进行验证,都得到了基本一致的实验结果,验证了本实验系统具有较好的稳定性。
将本文计算结果的相对误差与其他方法得到的实验结果相比较,如表1所示。
文献[16]采用圆环式静电传感器和滤波法相结合实现速度检测,最大相对误差为13%,该方法较为有效,但是传感器安装相对麻烦,计算过程也更复杂,涉及到多个参数的确定,参数均与传感器结构有关;文献[19]将圆环式静电传感器和互相关方法相结合,最大相对误差为10%;而文献[20]采用圆环式静电传感器和互相关方法结合得到的最大相对误差为64%,与理论结果偏差较大,将阵列式静电传感器与互相关方法结合得到的最大相对误差为22%,结果相对准确。本文将阵列式静电传感器和互相关方法结合得到的误差在合理范围之内,该传感器安装容易,计算结果稳定。
5 结论
气固两相流 篇7
流化床锅炉具有高效、低污染、煤种适应性广等优点,因此在世界各主要工业化国家得到了迅速发展。流化床内为典型的气固两相流动,流体动力特性十分复杂,目前仍然有许多问题需要解决[1]。随着计算机速度和计算方法的发展,应用数值模拟方法研究气固两相流动特性取得了蓬勃发展[2,3,4]。目前常用的两种数值计算为:欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。前者认为气相是连续相,直接求解Navier-Stokes方程,而离散相是通过跟踪流场中离散颗粒的运动轨迹实现。离散相和流体相之间可以有动量和能量交换。由于计算工作量大,使得该方法不适合于模拟高浓度流化床内气固两相流动。后者将颗粒相看作一种假想的连续介质,即所谓的“拟流体”,两相之间在数学上被当作互相渗透的连续体,两相同在欧拉坐标系下处理,一相所占的体积无法再被其他相占有,采用类似于Navier-Stokes方程的形式,考虑气固两相相间作用,建立气固两相流动模型和本构方程,研究气固两相流动特性。模型假设各相体积率是时间和空间的连续函数,各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程,这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系,从而能使上述方程封闭,对于小颗粒流,则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。已有一些学者采用该方法研究了流化床内气固流动特性。如H.Arastoopour[5]用FLUENT软件模拟了流化床单个气泡的行为,并与Gidaspow的实验进行比较。 C.Guenther和M.Syamlal[6]对流化床内气泡的生成、运动到破裂过程进行了二维的数值模拟。徐祥等[7]基于Eulerian双流体模型,建立了流化床内的气固两相流动模型,对流化床密相区两相流动特性、床内气泡的产生运动和爆裂等特性进行了数值模拟。
本文应用欧拉-欧拉双流体模型对多孔布风鼓泡流化床内气固两相流的流动过程进行了数值模拟,建立了适于稠密气固流化床的双流体动力学模型,研究了床内气泡和颗粒相的运动特性,得到较为满意的结果。
1 数学模型
1.1 质量守恒方程
气相
固相
式中 αg——气相体积分数;
αs——固相体积分数;
ρg——气相密度;
ρs——固相密度;
vg——气相速度;
vs——固相速度。
1.2 动量守恒方程
气相
固相
式中 pg——气相压力;
ps——固相压力;
g——重力加速度;
β——气固相间作用系数。
1.3 封闭方程组
气固间相互作用系数模型采用Syamlal-O’Brien模型。曳力函数采用Dalla Valle[8]给出的形式
雷诺数Re
粘性流体本构方程,根据费祥麟[9]有
气相应力pgij
式中 μ′g——气相体积粘度。
固相应力psij:
式中 μ′s——固相体积粘度。
固相摩擦应力Tf[9]
式中 μf——固相摩擦粘度。
固相压力ps[9]
上式e是颗粒-颗粒间的恢复系数,为0.9。g0为径向分布函数,采用S.Ogawa,A.Umemura和N.Oshima[10]提出的公式
通常,αs,max=0.63。
1.4 模拟参数
2 模拟结果与讨论
2.1 气泡的运动行为
图1为不同时刻流化床内气泡的运动行为,从图中可以看到气泡在床中的形状和分布情况,并且可以观察到单个气泡生成、长大和破裂全过程。气泡在布风板上或稍高一点的地方形成,并沿床层上升,在此过程中还伴随着气泡的合并和破碎现象。靠壁面处颗粒浓度高于床中心,形成环-核流动结构。由于气泡的扰动作用,床内气相和颗粒相之间形成强烈的相互作用,气固两相混合均匀。床层高度在气泡的作用下上下波动,这与实验现象是一致的。
2.2 气固轴向速度的比较
图2表示床高375 mm处气相和固相平均轴向速度的径向分布。从图中可以看出,气相和固相的平均轴向速度曲线都呈现出中间高和两侧低的特征,气相平均轴向速度始终高于固相。在流化过程中,床中心颗粒在气泡的携带下一起上升流动,同时随着气泡的合并与破碎不断地被推向壁面区域。在壁面区域,由于气相速度较低,颗粒受重力的作用做下降流动,在鼓泡流化床中形成了中间颗粒上升两侧颗粒下降的内循环流动方式。
2.3 不同高度下颗粒轴向速度的径向分布
图3为不同高度下固体颗粒的平均轴向速度的径向分布,由图可知,不同高度下颗粒平均轴向速度沿径向都呈现出中心区域为正壁面区域为负的环-核流动特性。在任一给定高度,颗粒平均轴向速度沿径向的平均值基本为零。随着高度的增加,在中心处颗粒平均轴向速度增加,而在壁面处颗粒平均轴向的下行速度也略有增加,这是因为在中心随着高度的增加,气泡不断合并长大,速度增大,对离散颗粒的曳力增加,颗粒被气相的向上扬析速度增大。
2.4 气相压力沿轴向的变化规律
图4表示气相压力沿轴向的变化规律,图中实验数据为相同结构尺寸和运行条件下测得的实验结果。由图可见,随着高度的增加气相压力降低,这与
相应的实验测得的规律是相同的。在同一高度下,模拟结果比相应的实验结果略低。一是由于在计算过程中采用的湍流模型,壁面函数和差分格式都对数值模拟结果有一定程度的影响;二是由于实验值是在三维工况下获得的,而数值模拟结果则是在二维床内进行的。三是在设定颗粒粒径进行数值模拟时,由于采用单一颗粒粒径与实验筛分颗粒粒径存在差别,也导致二者对比存在误差。但是总体而言,用欧拉-欧拉双流体模型对鼓泡流化床的模拟所得出的结果与实验得出的结果较为接近,此模型用于流化床气固两相流的模拟是可行的。
3 结论
本文应用欧拉-欧拉双流体模型对鼓泡流化床内气固两相流的流动过程进行了数值模拟。模拟结果表明气泡在布风板上部形成并沿床层上升,在此过程中还伴随着气泡的合并和破碎现象,壁面处颗粒浓度高于中心。由于气泡的扰动作用,床内气相和颗粒相之间形成强烈的相互作用,气固两相混合均匀。任一高度下颗粒平均轴向速度沿径向都呈现出中心区域为正壁面区域为负的环-核流动特性。气泡对流化床中固体颗粒速度脉动的分布具有较大的影响。随着高度的增加气相压力降低。模拟结果与相应的实验结果吻合较好。
参考文献
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[5]H.Arastoopour.Numerical simulation and experimentalanalysis of gas/solid flow systems:1999 Fluor-Daniel Plenarylecture.Powder Technology.2001,119:59-67.
[6]C.Guenther,M.Syamlal.The effect of numerical diffu-sion on simulation of isolated bubbles in a gas-solid fluidizedbed.Powder Technoligy.2001,116:142-154.
[7]徐祥,向文国,秦成虎.流化床密相区流动特性的数值模拟[J].热能动力工程,2004,19(2):131-133.
[8]J.M.Dalla Valle.Micromeritics.Pitman,London,1948.
[9]费祥麟,胡庆康,景思睿.高等流体力学[M].西安:西安交通大学出版社,1989:71.
气固两相流 篇8
节能和环保一直是内燃机研究的热点和难点,也是推动其技术进步和创新的主要动力。柴油机由于油耗低、热效率高、温室气体排放低、工作可靠等优点在很多领域得到了广泛应用。然而,柴油车排放中含有大量的颗粒物(PM),会对人体健康和环境造成很大危害。当前欧美国家已在柴油车上广泛应用颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)来去除废气中的大多数颗粒。DPF系统的可靠再生和失效监测需要用车载诊断系统(on-board diagnostic,OBD),目前国内外的OBD排放法规在检测颗粒传感器功能上的要求十分严格。在此背景下,针对当前车载诊断系统研发水平不高的现状,围绕不断严格的OBD法规中的关键问题,有必要对车载诊断系统中的新型颗粒物传感器进行更为全面的研究[1,2]。
文献[3]提出了一种在内燃机中应用的颗粒物追踪的算法,并验证了算法的高效性;文献[4-5]提出的离散相模型(discrete phase model,DPM)将流体相(气体或液体)视为连续介质,分散相(液滴、气泡或尘粒)视作离散介质处理,已广泛应用于磨料喷射加工、流化床、除尘器、旋风机械、血液流动等领域[6,7,8,9,10]。然而,在颗粒物传感器方面的应用,至今还未见文献报告。
本文中采用气固两相流相间耦合的SIMPLE模型,同时对离散相采用DPM模型,对专利中的新型漏电流式颗粒物传感器[11,12,13]进行内部流场模拟,模拟结果对该传感器进一步设计和实际应用具有一定的参考价值。
1 漏电流式颗粒物传感器工作原理
目前,国内关于柴油机用颗粒物传感器的研究成果较少,国外则多集中于电阻型和电容型颗粒物传感器的研究[1,2],即通过建立电阻或电容和颗粒物浓度的关系,来检测排气中的颗粒物浓度变化。然而,由于监测精度等问题,这些类型的传感器依旧处于研发阶段。
本文中新型的漏电流式颗粒物传感器工作原理为:当一个电压加在有一定间隙的两个电极间,就会有漏电流产生,且漏电流会随着二电极间流过的介质不同而变化,可根据漏电流与尾气中的颗粒物含量存在的相关关系制作颗粒物传感器,即漏电流式颗粒物传感器。传感器每进行一次测试后,就通过加热器烧掉上一次测试中残留的颗粒物,使传感器再生,再进行下一次测量。
传感器内部流动示意图如图1所示。
图1 漏电流式传感器气体内部流动示意图
气体从外侧进气孔进入外侧保护件的流动空间,通过尾气进口进入后,绝大部分气体通过尾气流动空间后经尾气出口排出。为了防止颗粒物进入密封空间,对传感器尾部的零部件造成腐蚀等损伤,并且防止颗粒物沉积,因此在其前侧采用了迷宫式设计。
2 模型建立及边界条件
2.1 数学模型
2.1.1 连续性方程
式中,ρ为流体密度;v为流体速度。
2.1.2 k-ε方程
气体湍流模型采用标准k-ε模型。该模型考虑了对流和扩散对脉动的速度的影响,提供了较为真实的流动场景且计算量较小,在科学研究及工程实际中得到了广泛的验证和应用[4,14],具体表达式为
式中,k为湍动能;ε为湍流耗散率;ρ为气体密度;μ为动力黏性系数;μt为湍流黏性系数;C1ε、C2ε为经验系数;σk、σε为k方程和ε方程的湍流普朗特数;Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。
2.1.3 颗粒物动量方程
式中,FD(u-up)为颗粒物单位质量所受曳力。
式中,u为速度;up为颗粒速度;ρp为颗粒密度;dp为颗粒直径;Fx为作用于固相颗粒上的其他力,包括压力梯度力、旋转力、Saffman升力等;Rep为对雷诺数(颗粒雷诺数),其定义为
曳力系数CD表达式为
对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,a1、a2、a3为常数,由Morsi和Alexander提出[15]。
2.2 物理模型
根据传感器的二维CAD图,首先对一些部位做了简化处理(如圆角等部位),用UG做出其三维流场图,如图2所示;然后采用网格划分工具ICEM对其进行网格划分,并对一些部位进行了局部网格加密,划分出的网格总数为210 335,网格模型如图3所示。
图2 传感器流场三维模型
图3 传感器流场网格模型
2.3 边界条件和初始条件
本文中以A498自然吸气四缸柴油机在标定工况全负荷下的排气状况为模拟对象,分析了漏电流式颗粒物传感器在该工况下的内部流场状况。其具体数据见表1。
表1 A498型柴油机全负荷工况下数据
由于该传感器安装在发动机排气管上,而发动机排气直管中流速变化较小,因此可以用发动机的排气速度近似该传感器的入口速度。假设发动机排气与进气均为理想气体,进气温度、密度、压力分别为T0、ρ0、p0;排气温度、密度、压力分别为T1、ρ1、p1。设排气质量流量为mout,排气管径为d,则存在
式(9)可写为式(10)形式
可得排气流速为
设置边界条件:入口采用速度入口边界,流速为16m/s;出口采用自由出口,除了入口、出口和内部边界条件以外,其他的都默认为壁面边界。入口温度为800K,采用传热壁面。对于离散相,在入口和出口处采用逃逸条件,在壁面上采用捕集的边界条件,即颗粒碰到壁面就被捕集,不再计算轨迹。
为了更精确地模拟柴油机尾气中颗粒物的排放状态,对排气中颗粒粒径分布采用了Rosin-Ramler分布模型[16]。由于柴油机排放中的PM都属于微细颗粒(微粒空气动力学直径小于2.5μm,简记为PM2.5),柴油机排放中PM的粒径大部分集中在0.1~1.0μm之间[17],而粒径在0.1~0.3μm的颗粒物更是占颗粒物的绝大部分[18,19],典型柴油机排气颗粒物粒径的三峰对数正态分布,如图4所示。本文中在Rosin-Ramler分布模型中,主要分析了如下所示的粒径分布,其中最小粒径取值为0.1μm(Fluent中能模拟的最小颗粒粒径),最大粒径取值为1.0μm,平均粒径取值为0.51μm。
图4 典型柴油机排气颗粒粒径分布特性图
3 结果分析
3.1 气相分析
3.1.1 速度和湍动能
对传感器进行三维湍流模拟,并给出了z=0截面的速度矢量分布图和压力分布云图,如图5和图6所示。气流在传感器外侧保护件流动空间中流动时,通过外侧进气口进入传感器,流动中由于流通面积的突然变小,导致压力减小,使得通道内速度增大。气流通过尾气进口进入浓度测试区域时,由于壁面的阻挡,在此处产生了涡流,虽然涡流区域较大,但是扰动强度不大,局部损失较小,因而压力损失较小。尾气流入浓度测试区时,流动较平稳。尾气流出狭窄的测试区进入宽阔的流动空间后,在截面的增大处产生了涡流,此处扰动强度较小,压力损失也较小。由于尾气出口的截面积较小,在矢量图和云图中都出现了明显的梯度分布,流速也逐渐升高,此时产生了很强的扰动,局部损失较大。在传感器迷宫式设计流动空间和中心空腔中气体流动速度较小。此外,由于壁面的滑移和剪切作用,使得在壁面附近也出现了速度梯度分布。
图5 速度场
图6 湍动能变化
3.1.2 浓度测试区内速度变化
稳定的流速对传感器颗粒物浓度的精确测量非常重要,所以对浓度测试区内流速进行了分析。取浓度测试区x轴方向中间位置一段距离为研究对象,导出不同位置处速度变化,如图7所示。从图7可以看出,流速分布在11~18m/s之间,而大部分位置点的流速都集中在14~17m/s之间,速度较为稳定,对浓度测试的影响不大。
3.1.3 温度场
图8为气体在传感器中的温度分布情况。从图8可以看出,从外侧进气口到尾气出口这段流动空间内,温度较高且基本恒定。这一方面是因为传感器体积较小,热量通过热传导的方式很快使热量保持均匀;另一方面是因为传感器处于较高的排气中,热量无法立刻扩散所致。此外,由于壁面与外界的热交换,使得在壁面附近出现了较明显的温度梯度分布。在外侧保护区流动空间中,由于其截面较小,与外界热交换较强,使得此处温度低于传感器其他部位。
图7 浓度测试区速度变化分布
图8 温度场
3.2 颗粒相分析
3.2.1 速度场
图9为颗粒物的速度场。从整体上看,颗粒物运动速度较大且在传感器内部流动较为均匀,因此颗粒物不易发生沉积;但是,在迷宫式设计处,颗粒物运动速度较小,因此颗粒物在此处停滞时间较长且发生沉积的可能性较大。
图9 速度场
3.2.2 直径分布
图10为不同直径颗粒物在传感器中的分布状况。从图10可以看出,各种尺寸大小的颗粒物在传感器中的分布均匀而无序,而在迷宫式设计处聚集的颗粒物较少且直径均较小。造成这种情况的原因一方面是迷宫式设计空间中气体流动速度较小,无法带动较大的颗粒进入该空间;另一方面是迷宫式壁面的结构设计成功阻止了颗粒物进入该空间。而在迷宫式前壁面附近,由于该处湍动能较强(图6),亦不会发生颗粒的聚集。
图1 0 颗粒物直径分布
3.2.3 质量分布
图11为颗粒物的质量分布情况。从图11可以看出,传感器内颗粒物质量分布与直径的分布相一致。迷宫式设计处聚集的颗粒物质量较小,原因是较小的直径具有较小的质量。从图11可以看出,迷宫式设计成功阻止了颗粒物在传感器尾部流动空间的沉积,且其他部位颗粒分布均匀一致,这对于传感器浓度的准确测量非常有利。
图1 1 颗粒物质量分布
3.2.4 停滞时间
图12为颗粒物的停滞时间情况。从整体上看,颗粒物在传感器中的停滞时间较短,流动性较好;但是,颗粒物在迷宫式设计处停留的时间比其他部分较长,这主要是因为颗粒物在此处流速较低无法很快地随着气体流出。为此,在不改变其他部位设计结构的前提下,可以在此处加装陶瓷加热片,尽快烧掉沉积的颗粒物,为传感器进行下一轮的测量做准备。
图1 2 颗粒物停滞时间
4 结论
(1)浓度测试区内流速较稳定,对传感器颗粒物浓度的测量影响不大。
(2)迷宫式的设计成功阻止了直径和质量较大颗粒的沉积,但依然有少量颗粒滞留。
气固两相流 篇9
循环流化床烟气脱硫技术,具有造价低、脱硫效率适中、适合机组改造、用水量少,不产生二次废水等优点,已经成为我国优先推广使用的烟气脱硫技术之一[1]。循环流化床脱硫塔内的SO2脱除过程主要包括如下几个部分:气、固、液三相间的流动过程;固体颗粒与液滴的碰撞过程;液滴的雾化过程;液滴的蒸发过程;SO2传质过程;SO2与脱硫剂的化学反应过程以及含湿颗粒的干燥过程等。其中脱硫塔内的气固两相流动规律是研究上述问题的基础。本文应用激光多普勒测试技术(PDA),对一冷态脱硫塔试验装置内的气固两相流动规律进行了研究,总结了塔内气固流动规律,分析了气固流场特性对循环流化床脱硫过程的影响,为进一步理论研究和热态试验研究奠定了基础。
2 试验装置与测试方法
试验系统如图1,塔体高度3.5 m,横截面为160 mm×160 mm,中间段为倾角60°倒锥体,塔体三面和顶部采用平板玻璃,以满足PDA测试和观察需要。塔顶结构与塔体设计成法兰连接便于调整顶部高度。引风机风量满足塔内平均表观气速在2～8 m/s调节。采用螺旋绞龙给料,称重传感器在线监测给料量。气体沿图中指示方向流动,颗粒由尾部多管旋风分离器收集。
沿塔高度方向布置8层测量面,如图1所示。由于塔体为矩形,可以近似认为是对称结构。同时为实现激光光路前向接收,对每个截面前侧靠左的1/4区域进行测量。受壁面反射光和“PDA”激光测量体影响[2],近壁面2 mm处设为测量起始0点,按图2间距布置10×7=70个测点;每个工况测量8个不同高度截面,共560个点,每个点采集3000个粒子,采集时间30 s。前向接收散射角为60°。
试验中固体颗粒选取密度2 300 kg/m3的球形玻璃珠,折射率1.51,球形度大于90%。以颗粒粒径小于5 μm的作为气相失踪颗粒,固相颗粒平均粒径为40 μm。有关PDA测试原理文献[3,4]有较为详细介绍。
3 试验结果分析
图3为塔内气固速度沿截面分布。由于气-固相互作用、相互影响,气相的运动行为跟固体运动行为极其相似,脱硫塔内气固两相流场分布趋势基本一致,气固滑移速度很小。气固滑移速度小不利于SO2传质和含湿颗粒的干燥过程的进行,因此,为了增强传质系数,采用一定的措施增加气固滑移速度,会有助于强化脱硫塔内SO2的脱除过程。
中心区域和靠近壁面的区域表现出了截然不同的流动行为。呈现塔体中间速度高,边壁速度低的分布规律。在近壁面附近还出现了速度为负值的壁面回流,即速度方向向下,沿塔体壁面向下流动。按照流体力学的基本理论,紊流流动的单相流场,由于紊流脉动动量交换的结果,离边壁不远处到中心的绝大部分区域流速分布比较均匀[5]。但是脱硫塔内的气固两相流场的轴相速度分布呈现中间速度突起明显,整体速度曲线变陡的特点。分析其原因在于,塔内单相流的气速分布由流体与管壁以及流体间的粘性剪切力场决定;在壁面上满足无滑移粘附条件,气速恒为零。流动气量不变,颗粒相给入后,颗粒需要占据一部分流通体积,这将会使两相流中气体速度增加。由于本试验中颗粒浓度较低,因此该影响不大。主要起作用的是颗粒加入后气体流动剪切力场输运性质的改变,即气固相互作用。颗粒的给入,一方面可能会增加气相的表观粘度,使壁面附近的剪切力剃度增加,从而使中心区的气速变大,分布变陡。
脱硫塔内颗粒同时受到重力、气流曳力、颗粒之间碰撞等因素的影响,颗粒的悬浮运动主要是通过气固之间曳力而获得能量。在塔体中间区域,沿塔体高度向上,颗粒的平均轴向速度值呈减小趋势变化,即颗粒在脱硫塔中心向上做减速运动。图4给出了塔内中心区域附近沿塔高颗粒轴相速度变化趋势。中心轴线上,颗粒轴相速度呈下降趋势变化。下降速度分为三个区域。A区的下降速度最快,这是因为该区在文丘里出口位置,收到文丘里出口结构截面变化影响导致。B区域下降幅度有所降低,该区域已经脱离文丘里装置影响范围,是比较稳定的一段区间。该段区间主要是受颗粒重力、气流曳力、颗粒碰撞的影响导致整体速度的下降。C区的颗粒速度下降幅度进一步增加,分析原因可能是由于受到出口结构和流场影响导致。
图5是壁面附近颗粒轴相速度变化。从图中可以看出,壁面附近的颗粒速度多为负值,仅仅在塔体上部,有部分为正值。壁面附近颗粒整体向下运动,而且随着颗粒向下运动距离加长,颗粒的负向速度绝对值增大,这说明壁面附近的颗粒是沿着壁面向下进行加速运动的。
脱硫塔内颗粒轴相速度分布呈现中心向上减速运动,边壁向下加速运动的趋势说明脱硫塔内形成了稳定的环核流动规律。这对实际脱硫过程中增强脱硫塔内颗粒浓度,依靠壁面回流实现防止雾化浆液直接撞击壁面是有好处的。
PDA测量浓度得到的是颗粒个数,受颗粒粒径分布影响很难准确计算真实质量浓度。因此本文通过计算不同位置与测量线上最小颗粒个数比,说明塔内颗粒浓度分布特性。从图6中的试验结果可以看出,除脱硫塔下部文丘里出口处截面颗粒浓度呈现中间浓度高边壁浓度低的分布趋势以外,其他测量截面颗粒浓度分布都呈中间浓度低,边壁浓度高的趋势。截面500 mm处的分布是受到文丘里出口截面变化的特殊结构导致的。其他截面的颗粒浓度分布趋势反应了脱硫塔内稳定段和主体反应段颗粒浓度分布规律。形成该浓度分布趋势的原因在于:气固两相流在塔内向上运动时,中心气流速度高,边壁气流速度低。颗粒浓度高的部位,气相流动阻力大,导致气流速度低;相反颗粒浓度低的部位气流速度高。当壁面出现向下的回流时,从气相质量守恒的原理也容易得出中心区域气速的增加。壁面附近,气速很低,对于细小的颗粒壁面的粘附力和静电力同样有可能产生作用。
颗粒浓度分布中边壁高中心低的分布趋势,有利于保护塔体壁面,使其不易发生结垢现象。图7给出了示意图,喷嘴的截面覆盖率是提高气液接触面积的重要参数。如果没有壁面的高浓度回流颗粒,在设计脱硫系统时为了安全稳定运行就要使喷嘴的雾化角小于塔体直径,这样就使得一部分烟气在塔体壁面附近流过的时候没能与雾化液滴接触从而降低了脱硫效率。有稳定高浓度回流时,设计的雾化角可以大于等于塔体的截面尺寸,雾化液滴冲向壁面时,先与回流颗粒接触,润湿颗粒后随颗粒运动过程中被烟气迅速蒸发,从而保护了脱硫塔体壁面不与浆液接触。
4 结论
脱硫塔内气固两相流场分布趋势基本一致,气固滑移速度很小。气固滑移速度小不利于SO2传质和含湿颗粒的干燥过程的进行,因此,为了增强传质系数,采用一定的措施增加气固滑移速度,会有助于强化脱硫塔内SO2的脱除过程。
中心区域和靠近壁面的区域表现出了截然不同的流动行为。呈现塔体中间速度高,边壁速度低的分布规律。在近壁面附近还出现了速度为负值的壁面回流,即速度方向向下,沿塔体壁面向下流动。
在塔体中心区域,沿塔体高度向上,颗粒的平均轴向速度值呈减小趋势变化,即颗粒在脱硫塔中心 向上做减速运动。壁面附近的颗粒多数速度为负值,随着颗粒向下运动的距离加长,颗粒的负向速度绝对值增大,这说明壁面附近的颗粒是沿着壁面向下进行加速运动的。脱硫塔内颗粒轴相速度分布呈现中心向上减速运动,边壁向下加速运动的趋势说明脱硫塔内形成了稳定的环核流动规律。这对实际脱硫过程中增强脱硫塔内颗粒浓度,依靠壁面回流实现防止雾化浆液直接撞击壁面是有好处的。
参考文献
[1]高建民,秦裕琨,高继慧,等.内循环多级喷动脱硫塔内浓度〔J〕.化工学报,2006,57(10):2297-2302.
[2]张金成,姚强,孙俊民.应用PDA测量气固两相流边界层时壁面的选择〔J〕.流体机械,2001,29(8):11-13.
[3]高建民,秦裕琨,高继慧,等.内循环多级喷动脱硫塔内的气固两相流动〔J〕.动力工程,2007,27(5):797-801.
[4]薛元.细颗粒在流动与温度边界层中的运动规律研究〔D〕.北京:清华大学,2002:17.
德国：惩罚和教育两相并举 篇10
在德国人心目中，如果对校园暴力事件失之于软，将来就会出现一批危害社会的暴徒，因而，哪怕仅仅是言语威胁，或者只是表现出暴力倾向，并无实质性的举动，也会让人如临大敌。学校会当着当事人和父母的面，给予严厉警告。倘若不思悔改而重新犯事，必定会将其送入不良少年管教部门进行强制性教育。对于出手伤人者，即便当事人认错态度非常好，也要送往少年法庭宣判。所有学校都装有完备的报警系统，如有必要，老师随时可以报警。
相比之下，德国发生校园暴力事件并不多，关键是学校和家长非常注重对孩子进行善良教育，几乎每家都养小动物，引导孩子从小关爱弱小，幼儿园亦会饲养小猫、小兔和金鱼等小动物，由孩子们轮流负责照顾，一旦出现虐待小动物的行为，就会受到严厉批评。因而，与人为善的理念，渐渐在孩子们心目中扎下根来。
德国人希望孩子们勇敢和坚强，但决不想看到男孩成为霸王。因而这个拥有世界顶尖精良武器制造技术的国家，却坚决反对相关玩具厂家开发有可能引发小孩产生暴力倾向的用品，同时引导孩子们远离枪炮和坦克之类的玩具。一些学校也会在体育课或者课后班里开设拳击和柔道等项目，教会学生具备基本的自我防卫能力，同时，让同学们在“捉对厮杀”时，必须遵守必要的游戏规则，从而懂得如何去尊重他人。
气固两相流 篇11
关键词：气固两相流,离散相模型,SIMPLE算法
1 引言
煤粉的浓淡燃烧技术主要是靠浓淡燃烧器实现的,浓淡燃烧器将煤粉分为浓淡两股,分别送入炉内燃烧,由于浓煤粉气流着火低的特点,这样大大降低了煤粉气流的着火热,同样也提高了该燃烧器的低负荷稳然能力。淡侧煤粉气流在外侧燃烧,燃烧过程中不断向浓侧气流提供所需氧气,这样就降低了NOx气体的排放。本文主要把弯头与阻挡块两浓淡分离结构做一体分析,通过改变阻挡块的高度,模拟燃烧器内两个出口颗粒的浓度,定性分析浓淡分离比。
2 可调浓淡分离器结构与原理
可调浓淡分离器主要是一次风气粉混合物首先经过弯头,利用煤粉颗粒受到离心力的作用,达到煤粉气流的首次分离,再通过撞击阻挡块,利用煤粉颗粒的惯性作用,和空气产生第二次分离效果,再经过分隔板的作用分成了上下浓淡两相。
图1可调浓淡分离器结构简图Fig.1 Adjustable shades separator structure
弯管和阻挡块同时对管内流体起束腰作用,并且调节阻挡块的高度来改变对煤粉气流轨道的控制。弯曲板可起到导流和减少损失的作用。隔板起导流作用,可防止经弯管和阻挡块分离后的煤粉从浓侧运行到淡侧,保证浓淡分离效果。
3 数学模型及数值解法
为了能比较完善和有效的进行气固多相流的数值模拟,必须首先建立多相流动理论模型,并相应的给出描述其运动规律的基本微分方程组,然后再求解这些方程组,一般说来,我们总是先建立气相流动模型并求解之的此基础上再把颗粒相加上去。
3.1 气相流动的数学模型
本文气相流动采用RNG k-ε方程模型,由于该模型中ε方程中有一附加生成相,当流动快速畸变时,该相显著增加,因此在阻挡块后面的速度快速变化处,RNG k-ε方程模型的预测能力比较强。对于高雷诺数重振化理论的湍流动能和耗散率ε输运方程为
式中 Gk——湍流生成相;
Sij——应变力张量;
σk、σε——k和ε的普朗特常数。
对于高雷诺数条件下,
3.2 颗粒相流动的数学模型
颗粒相流动采用随机轨道模型,在直角坐标系下颗粒的运动方程为
由于所要分析的几何模型是二维的,所以没有Z坐标系下的颗粒运动方程。式中,
式中 dp——颗粒的直径;
CD——湍流脉动下的颗粒阻力系数。
3.3 气固两相的数值解法
本文对气相的数值计算采用容积法离散基本方程数值模拟,气相控制方程采用simple算法上迎风差分格式,颗粒相采用拉格朗日法进行计算,并利用simple算法进行二者的耦合。计算精度达到10-3数量级,能够满足模型所需的精度要求。由于模型结构的不规则性,所以采用非结构化的网格划分格式,网格划分的结构如图所示:
图2可调燃烧器内非结构化网格的划分Fig.2 The unstructured grid in adjustable burner
4 模拟结果及分析
4.1 模拟结果
本文针对阻挡块高度H为80 mm、120 mm两种工况利用fluent软件进行气相速度和颗粒运动轨迹模拟,通过模拟分析得出气相速度场和颗粒浓度场,分析随阻挡块高度变化的规律性。图3、4、5、6,给出了两种工况下的模拟结果。
图3气相流场的速度轮廓线(H=80 mm)Fig.3 Rate contour of gas flow(H=80 mm)
图4气相流场的速度轮廓(H=120 mm)Fig.4 Rate contour of gas flow(H=120 mm)
图5煤粉颗粒的浓度分布(H=80 mm)Fig.5 Coal particle concentration distribution(H=80 mm)
图6煤粉颗粒的浓度分布(H=120 mm)Fig.6 Coal particle concentration distribution(H=120 mm)
4.2 结果分析
(1)本文在弯头的角度一定的情况下,当H增大时,浓淡两侧的气相速度增加,并且浓侧气流的速度大于淡侧气流的速度。
(2)颗粒相由于惯性作用,集中在燃烧器浓侧,随着阻挡块高度H的增加,浓侧的煤粉浓度也随之增加,造成浓淡分离比增大。
(3)阻挡块高度H对燃烧器内部浓淡两侧影响很大,H越高,两侧出口的速度差加大。
5 结论
本文通过调节阻挡块的高度变化来研究煤粉颗粒浓度、速度等因素的变化规律,利用RNGk-ε方程模型和随机轨道模型对气固两相流进行模拟及结果分析,通过弯头和阻挡块的双重作用实现煤粉气流的浓淡分离,为今后的宽调节比燃烧器的改造和可调煤粉燃烧器的研究提供了理论依据。
参考文献
(1)柴彬,徐通模,惠世恩.水平竖直上升弯管内煤粉与空气两相流的流动特性研究(J).西安交通大学学报,1994,28(5):87-92.
(2)周力行,黄晓晴.三维湍流气粒两相流的k-ε模型(J).工程热物理,1991,12(3):428-433.
(3)夏振海,等.可调浓度煤粉浓淡燃烧器的数值模拟(J).燃烧科学与技术,2000,6(3):215-217.
(4)岑可法,樊建人.工程气固多相流动的理论及计算(M).杭州:浙江大学出版社,1990.
(5)Fluent Inc,FLUENT user’s guide,2000.
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