煤水两相流动管内表观滑移的数值研究与分析

　　1　概　　述

　　在许多非牛顿流体(如水煤浆,气液两相形成的消防泡沫以及化工聚合物溶液等)流动中固体表面会出现界面处的表观滑移现象,即在管道内壁面出现一层固相浓度低(或高),黏度显著下降(上升)的滑移层,该层的存在会使管内的流动壁面的剪切力减小(正滑移)或增加(负滑移),这不仅给非牛顿流体流变模型的确定带来困难,而且造成了流动阻力的增加或减小。因而壁面滑移现象的研究对获得准确的液固两相流动数据以及正确设计适合滑移流动的工业仪表都是必要的,另外正滑移有利于流体管道内流动的减阻,这将降低化工,水煤浆,水泥等复杂流体输送中的能耗,从而节约能源。产生表观滑移现象的影响因素很多,机理复杂。固液两相流动远比单相流复杂。既要避免数学模型过于复杂繁琐,又要抓住主要矛盾,就必须对不同类型的流动采用不同的处理方法。目前较多用于理论解析方法采用的理论模型有:单流体模型、双流体模型、颗粒运动的Lagrange描述方法等。由于其流动运动的复杂性,实验研究存在诸多困难。计算机和CFD技术的发展已使数值模拟成为液固两相流动运动机理研究的重要手段。

　　近些年来,从理论上探讨管道两相流浓度和速度分布机理的文献增多。如Ayukawa[1]、许振良[2]等人采用数值解法计算了水平管道沉降性浆体的浓度和速度分布。魏进家[3]等对管道密相液固两相流动进行了数值研究。张兴荣[4]则提出了中等浓度管道输送中的流速分布计算模型。但对滑移现象研究的较少。岳湘安[5]通过数值计算认为当固相浓度较低时,颗粒的壁面滑移速度小于零,即在整个流场中,固相的流动总是滞后于液相。这是因为,在低固相浓度下,颗粒之间的相互作用很弱,它们与液相的相对运动近似于自由沉降。当固相浓度较高时,颗粒的壁面滑移速度大于零。即在流场中心处固相的流动滞后于液相,而在壁面处则超前于液相。颗粒的这种壁面超前滑移现象的机理在于,在高固相浓度条件下,颗粒间的相互作用很强,固相应力很大。因而,管中心的颗粒对管壁附近的颗粒层具有很强的牵引作用,致使壁面附近的颗粒发生超前滑移。

　　本文旨在对圆管内稀相液固两相流动进行计算机模拟,求解管内流动规律,以分析壁面表观滑移是否出现,固相体积分数对流动速度分布和流动阻力的影响规律等。

　　2　物理模型与数值求解设置

　　研究圆管内稀相液固两相流动,选用的液相介质为水,固相介质为细小的煤炭颗粒,直径0·015mm,适合于水煤浆组成,管内流动属于载粒子流。求解采用Fluent软件中适用于所有的体积浓度范围的Eulerian GRANLUR模型。动量和连续性方程是对每一相求解的。