均速管流量计气固两相绕流固粒分布特性的研究.pdf

工业仪表与自动化装置
2015年第1期
均速管流量计气固两相统流固粒分布
特性的研究
杨笑梅,张亚军2,鲁辰胤,王小华,沈新荣
(1.浙江大学流体工程研究所,杭州310027
2.西安陕鼓动力股份有限公司自动化中心,西安710075)
摘要:采用大涡模拟的方法,对威力巴流量计在气固两相流中的特性进行了数值模拟。初步揭
示了连续相中固粒在检測杆截面周固的分布特性以及不同粒径的固体颗粒对检测杄碰撞而产生的
磨损量。
关键词:气固两相流;大涡模拟;分布特性;碰撞与磨损
中图分类号:TH814文献标志码:A文章编号:1000-0682(2015)01-0006-04
Study of averaging pitot tube in gas-solid two phase flow around
the particle distribution characteristics
YANG Xiaomei, ZHANG Yajun?, IU Chenyin, WANG Xiaohua, SHEN Xinrong
( 1. Institute of #luid Engineering Research, Zhejiang testy, Han zhou 310027, China
2. Automatic Technology Center, Xi'an Shaang Power Co, Ld, Xi'an 710075, China
Abstract: In this paper, LES technique was applied to investigate characteristics of the gas-solid
two phase flow over the Verabar flow-meters detection rod. Particles distribution features surrounding
the detection rod were numerically predicted. Erosion effects of particles with different diameters on the
detection rod due to collisions were then numerically analyzed
Key words: gas-solid two phase flow; IES; distribution features; collision and erosion
0引言
截面扩张角下的威力巴流量计,展开气固两相数值
模拟,分析了不同 Stokes数的固体颗粒在流量计测
多变工况中气体流动,特别是气体多相流动的量杆周边区域的浓度分布,以及相应的碰撞与磨损
准确刻画和反馈,是流程工业工艺过程运行优化控特征。
制及污染控制的根本依据。以威力巴为代表的均速
管流量计,以其结构简单、计量精度较高、稳定性较
数值方法及模型的选择
好的特点,已被应用到气体流动的测量中。但在实1.1数值方法
际应用和研究过程中,针对均速管流量计的多相流
采用的大涡模拟方法,其主要思想是直接数值
动的理论、实验及数值研究工作,还相对较为薄弱。模拟大尺度湍流运动,而利用次网格模型模拟小
关于气固两相流绕过均速管流量计的流动,对应的尺度湍流运动对大尺度湍流运动的影响以。它作
颗粒分布特性及阻塞和磨损方面的结论,几乎为为湍流数值模拟的一种较为普遍的技术,能够以
空白
相对较低的成本对真实流动结构进行时空演变的
该文采用计算流体力学的方法,首次针对不同预测。
收稿日期:2014-09-15
该文选取气固两相平面湍流射流和气固两相三
作者简介:杨笑梅(198,女,河北人,预士,研究方向为流体维圆柱绕流昞种直接数值模拟作为标准参照算
机械
例,分别建立相应的模型进行大涡模拟,并将计
2015年第1期
工业仪表与自动化装置
算结果与文献中的标准结论进行对比,表明大涡模
拟可以得到与DNS接近的颗粒分布图,并且动态
Smagorinsky模型在一定程度上要优于常系数模型,
对网格要求也较低。在接下来的计算中选取动态
Smagorinsky模型作为基本模型进行数值模拟。
1.2数学模型
在同样的流场特征中,相同密度而不同粒径的
图1流量计模型截面
固体颗粒对同一检测杄壁面的碰撞与磨损都不相
同。该文对流场中的流量计在不同的 Stokes数条件
下的碰撞和磨损状况进行了模型的设立。
1.2.1碰撞模型
巨Es
固体颗粒和壁面发生接触碰撞后会发生角度的
变化,根据 Tabakoff等人的研究,提出了颗粒碰撞前
后速度公式
图2计算区域示意
?=k+ん。B+んnB2+k、F
首先进行单相流场的计算,采用的网格如图3
所示,检测杄截面周围的网格如图4所示,入口条件
2=k,+んB+hB2+k、F
(2)设为 velocity-ilt,出口条件设为
pressure- outlet,
压力ー速度耦合算法为 SIMPLE。待空气相流场充
其中:a、,分别为固体颗粒与壁面间碰撞前后的速分发展后,选用无烟煤固体颗粒从流场人口均匀喷
度在法向和切向的分量,下标1、2分别表示碰撞前、人,类型为二维 group,喷入频率为1次/流场步,速
碰撞后,k。ん,分别为各项恢复系数,β为碰撞冲度为当地气体入口速度。
击角。
文中要用到的固体颗粒对流量计截面碰撞频率
n为碰撞壁面的颗粒数目与等宽度来流中所包含的
颗粒数目之比[日。
1.2.2磨损模型
一般来说均速管流量计作为一种插入式计量工
具,检测杆通常是由金属合金等材料制成,当固体颗
粒和流量计壁面发生碰撞时,颗粒就对金属壁面产
图3计算采用的网格
生冲蚀磨损。利用在煤灰颗粒和不锈钢冲蚀的情况
下产生的磨损速率经验公式l:
E,=∑
m, C(d, f(B)
其中:C(d,)为颗粒直径的函数,(B)为颗粒与壁面
的冲击角的函数,υ为颗粒对于壁面的速度,b()为
此相对速度的函数。
1.3物理模型及模拟条件
该研究以威力巴原型截面为基础研究对象,如
图4检测杄截面周围网格
图1所示,对截面扩张角进行一系列的变化。计算
表1中颗粒直径依次对应的 Stokes数分别为
域如图2所示,管道直径D=300m,限于计算资0.01、0.1、1、10和100。在 Eulerian- Lagrangian方
源,作关于来流速度的等效处理,以截短来流方向的法框架下,当 Stokes 2数较小(接近于)时,固体颗粒
计算区域,故检测杆上游长度=2m,检测杆下游表现出很好的跟随性;当 Stokes数很大时,由于固
计算域长度取2=5D=1.5m。
粒本身惯性呈主导因素,其受流体作用的影响非