低温液体传输中夹带固态颗粒的流动特性研究

陈 虹 邱小林 高 旭 李永存

(1航天低温推进剂技术国家重点实验室 北京 10028)

(2湖南科技大学能源与安全工程学院 湘潭 411201)

低温液体传输中夹带固态颗粒的流动特性研究

陈 虹1邱小林1高 旭1李永存2

(1航天低温推进剂技术国家重点实验室 北京 10028)

(2湖南科技大学能源与安全工程学院 湘潭 411201)

针对低温液体传输中夹带固态颗粒的流动属于低浓度固液两相流，且存在流道和部件动静干涉的特点，建立了低温流体传输管路中的固液两相流模型，并模拟研究了低温液体传输中夹带固态颗粒时不同传输压力、传输速度以及固体颗粒浓度下，传输管路的压力场、速度场以及固体颗粒的分布。

低温液体 低浓度 固态颗粒 流动特性

1 引言

大量气态物质如能以低压液态形式来运输和贮存，那么就比较经济。低压液体和高压气体相比较，其装载容积可以减小到十分之一或更小［1-2］。基于此，将气体液化后贮运和使用的模式，已广泛应用于航空航天、交通、工业生产、化工过程、实验研究等领域［3］。

低温液体的输送安全性对其能否有效使用起着决定性的作用。低温液体在输送过程中不可避免地受外界环境影响而产生漏热。当受漏热影响而产生两相流时，管道中的压力与温度会发生一定的激变，使管道与阀门承受过压而降低设备的可靠性和使用寿命，或发生爆裂、爆炸等安全事故［4］。在传输低温液体(如液氢、液氦等)时，滞留在管路中的凝固点高于低温液体沸点的气体组分受冷并凝固成固体颗粒，并在低温液体中形成固体颗粒杂质(如固空颗粒等);管道内的砂粒、铁诱、焊渣和来自干燥剂的氧化铝等也是管路存在固体颗粒的又一原因［5］，这些固体颗粒会卡塞阀门、泵和液量计、堵塞火箭发动机喷嘴、引发安全事故［6-8］。

由此可见，低温流体输送系统产生的两相流问题是引起低温流体输送安全的主要问题之一，必须得以解决［9］。因漏热引起的气液两相流可以通过加强保温和设置自动排气装置得以解决;而固液两相流问题则因其流动特性的复杂性往往难以解决。本文借助仿真手段，研究低温液体传输过程中液体夹带固体颗粒的流动特性，进而为提高低温液体传输的安全性提供参考。

2 低温流体传输过程中的固液两相流模型

2.1 基本假设

在低温液体传输中夹带固态颗粒的两相流动，固体颗粒在液相中的受力非常复杂，升力与相间阻力、有效重力对颗粒运动都很重要［10］。由于该两相流动属于低浓度固液两相流，且存在流道和部件的动静干涉问题［11］，为实现其流动特性数值模拟，现做如下假设:

(1)低温流体为不可压缩流体，固态颗粒为连续介质，低温液体和固态颗粒的物性均为常数;

(2)低温流体传输管路绝热性能稳定，未发生漏热和传热现象;

(3)固态颗粒为均匀的球形颗粒;

(4)颗粒之间的碰撞为弹性碰撞，且无摩擦;(5)不考虑固态颗粒在流动过程中的相变。

2.2 数学模型

考虑固液两相间作用力对颗粒运动的影响，颗粒流方程为:

连续方程:

动量方程:

脉动能方程:

式中:ρ为颗粒相的分密度，“—”表示综合平均，Pij=为颗粒相的脉动应力，Ci=ci-vi为颗粒的脉动速度，ci为颗粒的随机速度，vi为颗粒的平均速度，qi为颗粒相的脉动能传导通量，T为颗粒相温度;为颗粒单位质量上所受平均外力，包括体积力和相间作用力;为颗粒单位质量所受外力与颗粒脉动速度相关项。

2.3 几何模型

图1为低温流体输配系统简化示意图。图1中，槽车中的液氢通过气体增压方式输送至贮箱，考虑输送过程中的固体颗粒为固态空气。槽车设置2个底部出液口，输送时2个出液口同时出液并在混流管内汇合后通过输送管路输送至贮箱。连接管用来表征管路中存在的通径变化部位，如盲支管等。考虑向下流动的弯头及垂直管、水平管路、向上流动的弯头及垂直管、调节阀等多种典型管路结构形式。本文以该系统为基础，建立传输管路仿真计算的几何模型。

图1 低温流体传输系统Fig.1 Cryogenic fluid transfer system

2.4 边界条件

输配管路入口即槽车出液口定义为入口边界，此次计算标准边界条件为:操作压力为101 325 Pa，入口颗粒物浓度为10%。入口速度变化值分别为1、1.8、3、4.2 m/s;入口压力变化值分别为 101 325、103 325、105 325、107 325 Pa;入口固体颗粒物浓度变化值分别为2%、4%、6%、8%、10%。

3 数值计算结果及分析

基于上述模型及边界条件，分别模拟研究了不同工作压力、流速、浓度下低温液体传输中夹带固体颗粒的流动特性。

3.1 工作压力对夹带固体颗粒流动特性的影响

由图2可以看出固体颗粒在管道内的分布及沉积情况。当管道入口压力较小，低于105 325 Pa时，固体颗粒大部分在混合器内和管道底部沉积，后段管路的颗粒浓度近乎为0，说明低温液体未夹带固体颗粒流入贮箱，此时低温流体携带固体颗粒的能力较弱;随着压力逐渐增大至107 325 Pa，管路出口颗粒浓度大于0，说明一部分固体颗粒在混流管内和管道底部沉积而另一部分固体颗粒则随着液体流出管道，可见低温流体携带固体颗粒的能力随着压力的升高而升高。这也表明:工作压力能影响低温液体对固体颗粒的携带能力，当低温流体工作压力较低时，低温液体夹带固体颗粒的能力较弱;随着管道工作压力不断增大，液体携带固体颗粒的效应增强，将有部分固体颗粒被低温液体携带流入贮箱。

图2 入口压力对管路中固体颗粒浓度分布的影响Fig.2 Influence of inlet pressure on concentration distribution of solid particles in pipeline

3.2 流速夹带固体颗粒对流动特性的影响

由图3可知，当入口速度在1—1.8 m/s时，管路后段固体颗粒浓度为0，固体颗粒在管道混合器和管道底部沉积下来，低温液体没有夹带固体颗粒流入贮箱;当入口速度高于3 m/s时，管路后段固体颗粒浓度大于0，已有部分颗粒物随着低温液体流出进入贮箱，而且入口速度从3 m/s升高至4.2 m/s，管路出口固体颗粒浓度显著增大，即被夹带流入贮箱的固体颗粒明显增多。可见，低温液体流速对低温液体对固体颗粒的携带能力影响明显。低温液体流速越大液体对固体颗粒的携带能力越大，此时低温液体可夹带较高浓度的固体颗粒流入贮箱;反之，低温液体流速越小液体对固体颗粒的携带能力也越小，此时低温液体夹带流入贮箱的固体颗粒浓度也越小。

3.3 浓度对夹带固体颗粒流动特性的影响

图3 入口速度对管路中固体颗粒浓度分布的影响Fig.3 Influence of inlet velocity on concentration distribution of solid particles in pipeline

图4表明了低温液体中固体颗粒在管道内的分布及沉积情况。入口流体流速和出口压力保持不变时，随着入口颗粒物浓度从2%增至10%，固体颗粒在管路中的沉积也越来越严重，尤其在上升管路弯头处的大量沉积，增大了管路的流动阻力，使得低温液体的有效输配量降低，甚至可能引起管路堵塞。可见，当工作压力和输配流速不变时，若低温流体传输管路内固体颗粒含量增大，必须采取相应措施，以免影响低温液体的正常输配。

图4 入口固体颗粒浓度对管路中固体颗粒浓度分布的影响Fig.4 Influence of inlet particle concentration on concentration distribution of solid particles in pipeline

4 结论

低温流体输配管路中存在固体颗粒时，在不同压力、流速、颗粒物浓度下，都不可避免的存在夹带，并在一些部位沉积，具体规律如下:

(1)当压力较小时，固体颗粒在管路中较易沉积;随着管道入口压力不断增大，固体颗粒在管道内的沉积逐渐减少，并有部分固体颗粒随着低温液体流出管道，压力愈大，管道中流体流速愈大，随低温液体流出管道的固体颗粒也愈多;

(2)当速度较小时，固体颗粒在管路中沉积较多，甚至基本全部沉积;随着入口速度的不断增大，管道内流体的速度也在不断增加，固体颗粒随着低温液体流出管道，入口速度愈大，随低温液体流出管道的固体颗粒愈多。

(3)当速度一定，入口浓度浓度较小时，一部分颗粒物会随着低温液体流出管道;随着入口浓度逐渐增大，颗粒物在管道和底部沉积越来严重。

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Investigation on flow characteristic of entraining solid particlein cryogenic liquid transmission process

Chen Hong1Qiu Xiaolin1Gao Xu1Li Yongcun2
(1State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100028，China)
(2Hunan University of Science ＆ Technology，School of Energy ＆ Safety Engineering，Xiangtan 411201，China)

Aim to the characteristics of flow entraining solid particle is dilute two-phase flow and influence by flow passage and component in cryogenic liquid transmission process，the models of solid/liquid two-phase flow were built for cryogenic liquid transmission pipeline.Pressure fields，velocity fields and distribution of solid particle of the transmission pipeline were investigated by numerical simulation under different transmission pressure，transmission velocity and concentration of solid particle in cryogenic liquid transmission pipeline.

cryogenic liquid;dilute;solid particle;flow characteristic

TB611

A

1000-6516(2014)04-0001-04

2014-05-09;

2014-06-26

国家自然科学基金重点项目(51134005)、国家自然科学基金资助项目(51274098)、湖南省自然科学基金资助项目(13JJ6057)

陈 虹，女，48岁，硕士、高级工程师。