详情

原文传递水煤浆管内流动特性试验研究及其数值模拟

论文题名：	水煤浆管内流动特性试验研究及其数值模拟
关键词：	水煤浆;非牛顿流体;管道输送;壁面滑移;流变特性;阻力特性;颗粒动理学;多相流模型
摘要：	水煤浆管道输送具有效率高、成本低、污染小和安全可靠等优点，在洁净煤技术领域应用广泛。但水煤浆管道输送技术领域的研究多停留在经验或半经验层面，相关基础研究严重滞后。作为复杂的液固两相非牛顿流体，水煤浆在流动方面仍存在大量科学问题亟待解决，这些问题制约着高浓度水煤浆管道输送技术的发展。本文基于水煤浆管道输送技术的要求，针对该技术所涉及的水煤浆流变特性、壁面滑移特性以及管道阻力损失等方面的核心与科学问题展开研究。在中试规模的试验装置上进行了多管径下流动试验，通过改变浓度、粒径、温度和流速等参数，深入系统地研究了水煤浆管内流动的壁面滑移规律。在表观滑移流动机理假设的基础上，利用经典Mooney滑移修正方法的模型检验功能和Tikhonov正则化方法的准确性，首次将两种方法联合使用确定了水煤浆的真实流变特性和壁面滑移特性。对水煤浆壁面流动状态和流动机理进行了深入分析，提出了液固两相非牛顿流体壁面滑移的形成和抑止机理，确定了管内的流动三种形态，建立了它们与固相特性、操作条件和管道尺寸等因素之间的本质联系。研究了水煤浆的真实流变特性随浓度、粒径、温度和剪切等因素的变化规律。以煤水混合物流变机理假设为基础，建立了表观粘度、屈服应力、极限剪切粘度的变化规律和流变特性的转变规律与浆体内部物质结构之间的关系；揭示了颗粒间的相互作用是控制整个管内流动形态的关键因素，建立了浆体流变特性与壁面流动状态之间的联系。从流动结构和能量损失的角度研究了壁面流动条件和流变特性对水煤浆管内流动特性和阻力特性的影响，揭示了管内流动特性和阻力特性随浓度、温度、粒径和管径及流动形态等因素的变化规律；建立了可同时表征浆体流变特性和壁面滑移特性的相似准数（广义雷诺数）。对水煤浆流经一系列局部管件的能量损失规律进行了系统的试验研究，确定了弯管阻力损失随弯径比、管径和广义雷诺数的变化规律，探讨了弯管内流动相似性问题，研究了突缩管和突扩管的局部阻力损失以及流体特性的影响。首次研究了具有壁面滑移特性的非牛顿流体在局部管件的能量损失规律，揭示了壁面滑移特性和滑移层破坏对总局部阻力损失的影响。对局部阻力损失规律的研究，不但为水煤浆这类高浓度液固两相非牛顿流体的管道设计提供了理论基础和参考数据，而且是对该领域研究成果的丰富和发展。基于欧拉多相流方法，结合颗粒动理学的基本理论和多相湍流模型，建立了能在较宽雷诺数范围内描述水煤浆管内流动的两相流体动力学模型。模型计算中可将具有双峰分布特性的煤粉颗粒看作直径不同的两种固相，同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换。在模型有效性验证的基础上，对管道充分发展段和入口段内的流动规律进行了模拟研究，考察了入口浓度、流速和颗粒粗细配比等因素的影响，获得了各相浓度分布、速度分布和压降特性，研究结果对认识水煤浆管内复杂的流动结构和机理提供了比试验测量更为丰富的信息。
作者：	陈良勇
专业：	环境工程
导师：	段钰锋
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文