氮浆在水平圆管中流动压降的数值模拟

　　1 引 言

　　浆态是一种固态与液态物质共存的状态,即在液体中含有固体小颗粒。由于浆体中固体颗粒的直径一般可以控制在几十微米,在固体组分比例不是太高的情况下仍具有较好的流动性^[1],还具有良好的热物理性能。目前较多关注的低温浆体主要是氢浆(温度13.8K)和氮浆(温度63.2K)。与过冷液氮相比,氮浆具有密度高、温度低、热容量大等特性,被认为是高温超导器件较为理想的冷却剂。浆体的换热应用中将会涉及两相流和相变传热等问题,固体组分的存在使其与单相液体有显著的区别,需要开展针对性的研究。由于两相流和固液相变传热模型较为复杂,国内外对氮浆的研究主要集中在宏观的实验研究上。近年来,日本东北大学研究人员通过数值模拟和实验的方法对氮浆的流动传热性能进行了初步的探索,其中Ishimoto等人采用单流体模型对氮浆管道流动特性进行了数值模拟研究^[2],Oh-ira等人对氮浆管道流动的传热性能和压降进行了实验研究^[3]。

　　氮浆作为冷却剂时在管道内的压力损失是冷却系统设计中需要重点考察的参数。对于氮浆管道流动压降,Ohira^[3]、Ishimoto^[4]和Matsuo等人^[5]分别通过实验进行了研究。他们观察到氮浆的压力损失随着固相体积分数的增加而增加,同时,压损随速度的增加率会随着固相体积分数的增加而减小。

　　上述研究中没有对压力损失与速度的关系以及管径、颗粒大小对压降的影响等问题进行系统分析。

　　本文针对这些问题,利用数值分析的手段,采用双流体模型稳态模拟,对氮浆在水平管道中的流动压力损失与固氮体积分数、氮浆流速、管道直径和固氮颗粒大小等因素的关系进行分析研究。

　　2 模型的建立与求解

　　2.1 氮浆水平管内流动模型

　　图1示意了固液两相混合的氮浆以一定的速度在水平圆管内的流动。管壁上有外部热量传入,固态氮颗粒在流动过程中会受热融化。主要相关物理参数及数值计算边界条件如表1所列。

　　2.2 数值计算的数学模型

　　考虑到两相流动复杂的实际情况,为了突出主要物理现象,在建立数值计算模型时,在上述物理模型的基础上做了如下简化假设:

　　(1)两相氮浆流动是二维管道流动,忽略重力的影响;

　　(2)除了氮浆颗粒的融化潜热外,管内没有其它内热源;

　　(3)氮浆颗粒为均匀的球形;

　　(4)忽略氮浆颗粒的径向滑移和混合液体的体积变化;

　　(5)对于液相向气相的转化不予考虑。

　　根据以上的假设,可给出如下控制方程:连续性方程