复杂管道浓相气力输送流动特性分析

论文摘要

火力电厂副产物脱硫石膏的输运存在的粉尘污染、能耗高等缺点成为制约其应用的瓶颈。浓相气力输送技术具有装置安全、自动化程度高、清洁环保等优点，成为解决这一问题的重要手段，而复杂管段对于气力输送管网的布置及推广应用有着较为重要的意义。本文针对目前复杂管道应用多、研究少的现状，选定了水平弯管、水平渐变管作为研究对象，以两种不同物理性能的脱硫石膏作为输送物料进行浓相气力输送实验。通过实验研究、理论研究及数值模拟，得出了浓相气力输送的相关流场变化规律。论文首先确定了实验系统的运行参数，并得出了系统输送规律。研究发现，发料罐的压力控制在0.26MPa到0.32MPa之间，气体的表观速度在9m/s到17m/s之间时系统运行稳定；随着气相表观速度的增大，固体的质量流量和固相颗粒的平均速度增大。同时，对于复杂管道来说，管道几何参数、固气质量比与气体速度等参数对气固两相流的压力降影响显著。当固气比、气体表观速度和颗粒粒径相同时，对于水平弯管，压力降随着弯曲角度的增大而增大，随着曲率半径的减小而增大；对于水平渐扩管，压力降随着管径比的增大而减小，随着扩散角的增大而减小；对于水平渐缩管，压力降随着管径比的增大而增大，随着扩散角的增大而增大。在管道的几何参数和输送物料的物理性质不变的情况下，固气比升高，复杂管道的压力降也随之增大；两相流体的压力降随着气相表观气速的增大而增大。脱硫石膏的粒径对复杂管道的阻力特性也有一定的影响，粒径为42.63μm时比粒径为15.75μm时压力降要小。在实验的基础上，由主成分分析方法，得到了各主要因素对复杂管道阻力特性影响的排列次序以及它们之间的相关性。对水平弯管：弯曲角度>固气比>曲率半径>气相表观速度>颗粒粒径，且弯曲角度、固气比、曲率半径之间呈负相关关系。对水平渐变管：管径比>固气比>扩散角度>气相表观速度>颗粒粒径，且管径比、固气比、扩散角之间呈负相关关系。在上述研究的基础上，结合量纲分析的方法，建立了预测水平弯管和水平渐变管阻力损失的等效数学模型。通过与实验数据对比分析，发现所建立的数学模型具有较高的精度。论文根据复杂管道的实际尺寸建立相应的几何模型，并进行网格划分，在近壁面边界层处采用网格加密。在此基础上，气固两相选用欧拉-欧拉双流体模型，采用SIMPLE算法，标准k-ε湍流模型，两相间采用双向耦合方式，对两相流通过复杂管道的过程进行了数值模拟，得到了静压、动压、两相速度等的瞬态变化规律。同时对阻力损失进行了数值计算，通过与试验数据的对比，发现模拟结果具有较高的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的与意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 简介
• 1.2.2 气力输送发展研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 复杂管道浓相气力输送实验设计
• 2.1 系统设计
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 气源部分
• 2.2.2 发送装置
• 2.2.3 收料装置
• 2.2.4 输送管道
• 2.3 测量设备
• 2.4 物料的基本性质
• 2.5 实验流程
• 第三章 气力输送的实验研究与分析
• 3.1 实验目的
• 3.2 系统输送参数的确定
• 3.3 流动参数的变化规律
• 3.3.1 系统的输送能力
• 3.3.2 固相平均速度
• 3.4 复杂管道的阻力特性研究
• 3.4.1 水平弯管的阻力特性研究
• 3.4.2 水平渐扩管的阻力特性研究
• 3.4.3 水平渐缩管的阻力特性研究
• 3.5 复杂管道内阻力特性的主成分分析
• 3.5.1 主成分分析法
• 3.5.2 水平弯管的阻力特性的主成分分析
• 3.5.3 水平渐扩管的阻力特性的主成分分析
• 3.5.4 水平渐缩管的阻力特性的主成分分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 浓相气力输送复杂管道阻力特性等效模型的建立
• 4.1 等效阻力数学模型的建立
• 4.2 等效阻力数学模型的推导
• 4.3 计算模型的验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 浓相气力输送过程的数值模拟
• 5.1 多相流模型
• 5.1.1 欧拉-欧拉方法
• 5.1.2 欧拉-拉格朗日方法
• 5.2 数学模型的建立
• 5.2.1 基本控制方程
• 5.2.2 湍流模型方程
• 5.3 求解方法的确定
• 5.3.1 计算区域及网格划分
• 5.3.2 边界条件
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.4.1 水平弯管静压分布
• 5.4.2 水平弯管气相和固相动压分布
• 5.4.3 水平弯管气相和固相速度分布
• 5.4.4 渐扩管静压分布
• 5.4.5 渐扩管气相和固相动压分布
• 5.4.6 渐扩管气相和固相速度分布
• 5.4.7 渐缩管静压分布
• 5.4.8 渐缩管气相和固相动压分布
• 5.4.9 渐缩管气相和固相速度分布
• 5.5 阻力损失的数值模拟与实验值对比
• 5.5.1 水平弯管对比
• 5.5.2 水平渐扩管对比
• 5.5.3 水平渐缩管对比
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望与建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录