水煤漿管內(nèi)流動(dòng)阻力特性及霧化機(jī)理研究.pdf

1、水煤漿管道輸送技術(shù)具有效率高、成本低、占地少、污染小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域,但是該技術(shù)仍有大量的基礎(chǔ)問(wèn)題尚未解決,而這些問(wèn)題制約著高濃度水煤漿管道輸送技術(shù)的發(fā)展。高濃度、高粘度漿體特別是水煤漿這種液固粘稠漿體的霧化一直以來(lái)都是各國(guó)研究者研究的重點(diǎn)也是難點(diǎn),開(kāi)發(fā)出高效、耐磨損以及燃料適應(yīng)性強(qiáng)的噴嘴是實(shí)現(xiàn)煤漿大規(guī)模氣化及燃燒的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對(duì)煤漿管道輸送中所涉及的煤漿流變特性、管道阻力特性以及煤漿霧化技術(shù)中所涉及的噴

2、嘴流量特性、霧化特性、霧化穩(wěn)定性以及霧化模擬等方面的核心問(wèn)題和科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究。
　　 從煤粉粒徑分布出發(fā),深入研究了顆粒配比對(duì)制備高濃度煤漿的影響因素；利用多變參數(shù)的流變模型,建立了多峰分布煤漿的體積濃度與相對(duì)粘度之間的流變關(guān)聯(lián)式。聯(lián)合采用經(jīng)典Mooney滑移修正方法和Tikhonov正則化方法在水煤漿輸送中試試驗(yàn)裝置上詳細(xì)研究了水煤漿的真實(shí)流變特性隨煤種和濃度的變化規(guī)律?；诿簼{流變特性的研究,建立了考慮滑移特性的廣義雷諾數(shù)

3、,獲得了不同煤種、不同濃度煤漿在直管內(nèi)流動(dòng)的阻力特性。對(duì)水煤漿流經(jīng)突縮管、突擴(kuò)管、漸縮管、水平彎管和豎直彎管的局部阻力特性進(jìn)行的系統(tǒng)地研究,確定了局部阻力損失隨著管件尺寸和廣義雷諾數(shù)的變化規(guī)律,探討了局部管件內(nèi)沿程阻力損失與幾何擾動(dòng)損失對(duì)整個(gè)局部阻力損失的影響規(guī)律,為管道設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)。
　　 設(shè)計(jì)建造了小型氣泡霧化實(shí)驗(yàn)裝置和氣泡霧化噴嘴。研究了注氣壓力、氣液質(zhì)量比(ALR)等操作參數(shù)對(duì)噴嘴流量特性的影響規(guī)律,分析了

4、高粘度液體的氣泡噴嘴流量特性。結(jié)果表明,隨著注氣壓力的升高,液體和氣體的流量都顯著增加；噴嘴注氣面積、注氣孔角度以及混合室長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液體流量影響不大,而增大噴口面積有助于提高氣、液流量；由于高粘度液體在噴口處的液膜厚度比低粘度液體的厚,使得高粘度液體的流量明顯比低粘度液體大。另外,本文考察了噴嘴結(jié)構(gòu)以及液體性質(zhì)對(duì)氣泡噴嘴流量系數(shù)的影響,基于氣液兩相無(wú)滑移和最大滑移的液體流量計(jì)算模型建立了氣泡噴嘴流量系數(shù)的預(yù)測(cè)模型,同時(shí)獲得了氣泡噴

5、嘴的臨界流量。
　　 采用高速攝影對(duì)氣泡噴嘴氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了可視化流態(tài)研究,首次研究了噴嘴結(jié)構(gòu)和液體性質(zhì)對(duì)氣泡噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)及流型轉(zhuǎn)變的影響機(jī)理,探究了氣泡霧化產(chǎn)生不穩(wěn)定的根本原因,采用修正的Bake兩相流型圖對(duì)氣泡噴嘴內(nèi)部?jī)上嗔餍瓦M(jìn)行了深入細(xì)致的理論分析。闡述了操作參數(shù)、空間位置、噴嘴結(jié)構(gòu)以及液體性質(zhì)等因素對(duì)氣泡噴嘴下游霧化質(zhì)量的影響規(guī)律。采用修正的局部均相流動(dòng)模型(LHF)建立了氣泡霧化下游場(chǎng)稀相區(qū)液滴速度的預(yù)測(cè)

6、模型?；陟F化下游場(chǎng)能量、質(zhì)量以及動(dòng)量守恒方程,獲得了氣泡霧化下游場(chǎng)液滴粒徑的預(yù)測(cè)模型,首次研究了液體性質(zhì)、噴嘴結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)氣泡霧化下游場(chǎng)中氣體動(dòng)能利用率的影響規(guī)律。
　　 采用基于顆粒統(tǒng)計(jì)學(xué)的理想霧化模型探討了噴嘴內(nèi)部氣液兩相不穩(wěn)定流動(dòng)引起的下游霧化不穩(wěn)定。首次探明了非牛頓流體特性以及噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡霧化穩(wěn)定性的影響因素,探討了氣泡霧化穩(wěn)定性隨著操作參數(shù)、空間位置等因素的變化規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)氣液兩相處于過(guò)渡流態(tài)時(shí),下游霧化

7、的不穩(wěn)定性較高；由于液滴在霧場(chǎng)邊緣處的波動(dòng)以及霧化中心處出現(xiàn)的“液滴簇”使得霧化表現(xiàn)出較高的不穩(wěn)定；液體粘度越低或者非牛頓流體特性越強(qiáng),氣泡霧化下游越不穩(wěn)定。注氣孔角度以及孔徑對(duì)霧化穩(wěn)定性影響不大,增加混合室長(zhǎng)度能夠減小氣泡霧化的不穩(wěn)定,霧化高粘度漿體時(shí),噴嘴內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性對(duì)霧化穩(wěn)定性的影響不明顯。
　　 基于液膜厚度計(jì)算模型和高粘度液體氣液兩相管內(nèi)流動(dòng)模型,首次提出了高粘度液體氣液兩相流經(jīng)噴口處液膜厚度的計(jì)算模型,結(jié)合液膜不穩(wěn)

8、定破碎模型,建立了氣泡噴嘴環(huán)狀流下一次霧化的預(yù)測(cè)模型。在模型有效性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,探討了液體粘度對(duì)液膜厚度的影響。基于一次霧化的結(jié)果,采用歐拉.拉格朗日法建立了霧化下游場(chǎng)氣液兩相相互作用模型,獲得了霧場(chǎng)中液滴粒徑大小、分布以及速度沿軸向和徑向的變化規(guī)律。結(jié)果表明,液滴在噴口處分布比較均勻,但是經(jīng)過(guò)二次霧化后由于碰撞合并使得液滴粒徑沿著軸向距離的增加而緩慢增加；液滴速度沿著軸向距離先迅速增加然后緩慢下降；由于高粘度液體氣液兩相在噴口處的滑移