转载点封闭罩内煤尘运移规律的数值模拟
摘 要:针对转载点封闭罩内的粉尘浓度特点建立数值模型,模拟出封闭罩内气固两相流二维的速度场。计算结果揭示:气固两相间的速度差及煤流下降诱发的受迫环流是影响煤尘逸出的主要因素。并总结出气流的运动过程可分为加速下落和水平扩展两个阶段,及每个阶段气流的运动状态。根据理论分析,提出封闭罩内降尘可以通过疏导气流,以求空气与煤流同速运移来实现。
关键词:皮带输煤系统 转载点 煤尘颗粒 气固两相流 数值模拟
中图分类号: P62文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-076-03
对输煤系统转载点封闭罩内气固两相流进行数值模拟的目的,是通过封闭罩内的空气的速度场、压力场、尤其是煤尘的速度场及浓度分布,分析得出封闭罩的结构布置以及粉尘颗粒从煤流中的逸出特性,为防尘喷嘴位置的选择以及其他喷雾降尘的选取提供一些有价值的参考。
由于对于封闭罩内空气的运移规律所知尚且不足,仅由实际测试结果可知在转载点入口处气流变化小,则煤尘浓度也小;在煤流沿溜槽下滑并冲击皮带的部位,浓度突然增大。可见,空气流动对粉尘影响很大,它控制着转载点内粉尘的运动。因此,本文主要对封闭罩内空气的运动规律进行研究,根据准格尔黑岱沟选煤场优煤仓下106皮带机尾和受料皮带203的机头的转载点建立模型。
1封闭罩内气固两相流特征分析和基本假设
在气固两相流中,稀相是指气体中含有很稀少的固体颗粒,密相(也称浓相)是指气体中含有大量的固体颗粒。常用的区分方法:以固体颗粒的容积份额来区分,1- <5%的为稀相,1- >5%的为密相。本文所计算的模型实测的浓度峰值在3000mg/m3左右,粉尘颗粒的密度为1200kg/m3,若按粉尘浓度3500mg/m3计算,容积含固率1- =2.3€?06,远远小于5%,所以可以判断转载点封闭罩含尘风流属于稀疏气固两相流。
煤尘颗粒粒径由AQF—1粉尘采样器现场取得粉尘试样分析测得转载点分散度数据如表1。由表可知,转载点处颗粒大部分粒径在10 m以下,在总分散度80%以上,大于10 m的颗粒占一小部分。体平均粒径可由以下公式计算:
(1)
计算得转载点煤尘颗粒的代表性直径为:。
基本假设:(1) 视颗粒相为连续介质。颗粒相可以看作一种拟流体,它与气体相相互藕合着,满足质量、动量和能量衡等物理定律;(2) 封闭罩内流场边界和流体内部无强大热源,空气温度变化不大,可忽略热交换,看作定常等温场;(3) 假设定常流动;(4) 粒子为具有同一直径的球体。
表1 准能公司黑岱沟选煤厂106-203皮带转载点分散度测试数据
2 计算模型及边界条件
2.1模型的提出
由2中分析可知封闭罩内稀疏悬浮气固两相流,并且其中以小于5 m的呼吸性粉尘为主,由于粉尘对气流的作用很微小,可以忽略。于是大直径煤块(500 m)的流动是气流运动的主要因素,考虑到煤块的密度和直径,可知其所受的重力远远大于气流的阻力,所以不同大小的煤块其运动速度和轨迹基本相同,鉴于此本文将颗粒直径设为500 m,使用Eularian模型。
连续性方程:
(2)
(3)
动量方程:
(4)
其他变量方程:
(5)
为了实现从单相模型到多相模型的改变,必须引入附加的守恒方程。在引入附加的守恒方程的过程中,必须修改原始的设置。这个修改涉及到多相体积分数的引入和相之间动量交换的机理。
(1) 体积分数
作为互相贯穿连续的多相流动的描述组成了相位体积分数的概念,这里表示为。q相的体积Vq定义为:
(2-33)
这里。(2-34)
q相的有效密度为:
(2-35)
这里是q相的物理密度。
(2) 守恒方程
方程的通用形式(Equations in General Form)质量守恒相的连续方程为:
(2-36)
这里是q相的速度,表示了从第p相到q相的质量传递。从质量守恒方程可得和 。
(3) 动量守恒
q相的动量平衡产生了:
(2-37)
这里是第q相的压力应变张量(stress-strain tensor)
(2-38)
这里是q相的剪切和体积粘度, 是外部体积力, 是升力, 是虚拟质量力,是相之间的相互作用力,p是所有相共享的压力。是相间的速度。计算中使用下面形式的相互作用项:
(2-39)
这里是相间动量交换系数。
(4) 升力
对多相流动,FLUENT能包含第二相粒子(或液滴或气泡)的升力的影响。这些升力作用于粒子主要是由于主相流场的速度梯度。主相中作用于第二相的升力由下式计算:
(2-40)
升力将会为两相添加到动量方程的右边 。
(5) 虚拟质量力
对多相流动,当第二相p相对于主相q加速时,包含虚拟质量的影响。主相质量的惯性遇到加速的粒子(或液滴或气泡)对粒子施加一个虚拟质量力:
(2-41)
相表示了从下式中派生出来的相物质时间:
(2-42)
虚拟质量力将会为两相添加到动量方程的右边()。当第二相的密度远小于主相的密度时,虚拟质量影响是重要的。
2.2模型尺寸
由于转载点封闭罩基本上类似于左右对称的结构,因此通过选取封闭罩的中截面来模拟,观察罩内速度场的分布情况。
转载点的高度是5.1m,滑槽的倾角是60€啊M?中1、2表示皮带面,将它们设置为速度为1m/s的粗糙壁面。3为煤流入口,入口处速度即为皮带运行速度1m/s。5为气流入口。4为出口。数值计算区域等同于物理模型,如图1所示。划分网格时,对两个转载点进行区域加密,总网格数4700,如图2所示。
图1 转载点封闭罩结构设计图
图2 转载点封闭罩计算网格划分
2.3边界条件
(1)在静止壁面,气相应用标准壁面率,颗粒相满足无滑移条件。
(2)在流场入口边界,给出各参数(速度、粉尘浓度等)的平均值。
(3)在出口边界上沿流动方向各参数的导数为零。
3参数选取
材料参数取为:空气密度=1.225 kg/m3,煤尘颗粒密度 = 1200kg/m3,空气的动力粘性系数=1.7894e-05kg/m3。
气固两相的动量交换系数选用Schiller and Naumann模型定义为:
(2)
(3)
是相对雷诺数,主相g和第p二相的相对雷诺数从下式获得:
(4)
采用二阶稳态分离计算,2D-SIMPLE方法求解。
4封闭罩内的数值模拟结果分析及实验验证
4.1封闭罩内气固两相流运动分析
由于煤块是刚体,而空气具有粘性,因此煤流从上转载点流出后必然带动周围的空气体一起运动。一方面,煤流前方的空气受其挤压而向下运动,同时,为了保持连续性,在流场中的其他位置将有同等体积的空气向上运动,从而在整个滑槽中形成一个大的受迫环流。当煤流到达下转载点时,空气由于挤压沿着相反的方向水平运动,又形成两个较小的受迫环流。
双流体模型是对计算区域中的每一相都建立起控制微分方程,因而能单独捕捉到各相的运动参数。煤流和空气的流场在下转载点处是不同步的,二者存在着明显的速度差,而这正是双流体模型优于传统对流扩散模型之处。
煤流运动过程中煤块与空气间相互作用强烈,煤流的进入改变了空气流结构。气流的运动受相间作用力的影响,而相间作用力又与相间速度差密切相关。经分析可知相间速度差是影响气流运动的重要因素。
气流的运动过程可大致分为:加速下落、水平扩展两个阶段。气流在各阶段的运动特征具有明显差别,因而将分别描述如下:
(1)加速下落阶段
煤流刚进入封闭罩时,气流平稳,此时煤尘浓度较低。当流进滑槽时由于重力作用而加速下沉,这时煤流推挤其前方的空气,并带动周围的空气加速下沉。该阶段,两相间的速度差迅速减小,相互作用主要表现为煤流下降产生受迫环流,此时煤尘浓度逐渐升高。由于气流的受迫运动决定了煤尘的扩散过程,而一般的试验手段又很难对这一阶段进行观察(除非使用PIV等高精度测量仪器,但费用昂贵)。因此,使用数值模拟的方法不仅可以弥补物理试验的不足,而且更能深入探究气流运动的内在机理。
(2)水平扩展阶段
煤流到达下层皮带后,随皮带运动,速度迅速减小,但其两边的空气各自由于挤压,沿着相反的方向水平扩展,各自又形成受迫环流。该阶段,气固两相在速度大小和方向上发生了显著的差别,相间作用力激增。由实验数据得,此时为煤尘浓度的峰值,可见煤尘的浓度与相间的作用力有密切的关系。
最后应当指出,在罩内无风源的情况下,空气流场是由煤流运动所激发产生的。煤尘的逸出过程归根到底是由于空气场中产生受迫环流,因而封闭罩内降尘可以通过疏导气流,从而减少空气与煤流之间的速度差,防止受迫环流的产生。在有吸尘器的情况下,吸尘器对气流的影响将远大于煤流自身运动状态的作用,可以通过其使空气与煤流同速运移。
4.2实验验证
实验数据取自文献[1],选取的测试地点是上运转皮带和下运转皮带上方0.1m处。图3和图4显示模拟计算的结果与实验结果基本吻合,证明本文提出的模型可以较准确的模拟封闭罩内空气的流动。
图3 上转运皮带上方0.1m处风速变化
图4 下转运皮带上方0.1m处风速变化
5结论
本文考察封闭罩内气流的流动特性。由实验数据分析得出假设,将原问题简化,并建立数值模型。采用考虑了湍流效应和颗粒碰撞作用的双流体模型成功模拟了无风源的封闭罩中气流运动的全过程,诠释了封闭罩内煤尘逸出的原因。数值计算结果揭示,气固两相间的速度差及煤流下降诱发的受迫环流是影响煤尘逸出的主要因素。煤流的运动过程可分为加速下落和水平扩展两个阶段:(1) 加速下落阶段,下降促发受迫环流,将会使煤尘逸出,并随环流沿滑槽向上运输;(2)水平扩展阶段,气流受挤压形成受迫环流,相间作用力激增,此时煤尘浓度达到峰值。封闭罩内降尘可以通过疏导气流,防止空气中产生环流,以求空气与煤流同速运移来实现。
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