水平直管内乙醇浆体流动压降数值模拟和实验研究

范肖雅 周黎旸 陈 琪 王树华 王斌辉 高如启 陈光明 唐黎明 金 滔

(1 浙江大学工程师学院 杭州 310015;2 巨化集团有限公司 衢州 324004;3 浙江大学能源工程学院 杭州 310027)

浆体是一种液体介质与固体小颗粒的混合物。浆体蓄冷兼具显热蓄冷效率高和潜热蓄冷密度高的优点,是未来重点研究的蓄冷方向之一[1]。乙醇沸点(78.35 ℃)高于常温(25 ℃)且冰点(-114 ℃)较低,更接近液化天然气(liquefied natural gas,LNG)沸点,常温下具有较高的密度,且属于常见化工产品,成本低廉,具有作为LNG动力冷藏车良好的浆体蓄冷介质的潜力。目前研究的浆体主要为冰浆、氮浆和氢浆,国内外许多学者对这些浆体的流动特性进行了模拟。刘圣春等[2]利用双流体模型研究了冰浆在不同管道内的流动压降特性;明岗等[3]分析了含冰率、流速对水平直圆管中冰浆流动和换热的影响;王继红[4]研究了冰浆管道输送热流特性,建立了冰浆流动准二维模型。Y. Lee等[5]研究了在固定热流情况下,氮浆在垂直加热圆柱体附近的自然对流换热现象;K. Ohira等实验研究了氮浆在水平直管[6-7]、波纹管[8]、三角形管[9-10]、圆形管[10]、方形管[11]等不同管道结构形式和尺寸下的流动特性。C. F. Sandt[12]实验研究了氢浆处于三相点和大气压两个不同的压力状态时,在不锈钢表面的池沸腾换热现象,并分析了三种加热面对换热过程的影响。吴云翔等[13]结合反传热法对乙醇浆体在不锈钢试件表面的传热特性进行了实验研究。由上述研究可知,现有对较低温度下的乙醇浆体的研究非常少,实验数据还不全面,管内乙醇浆体流动压降特性以及影响压降的因素仍缺少研究和分析。

本文针对有机溶剂乙醇浆体,利用双流体模型对乙醇浆体在水平直管内的流动压降进行了数值模拟,搭建浆体流动阻力实验台进行实验研究,并对比了模拟结果和实验结果。

1 数学模型

目前直接研究乙醇浆体固液两相流的文献较少,因此本文基于冰浆流动模拟选择Gidaspow模型[14]。不考虑固液相变作用(颗粒相与液相之间的传质作用)的情况下,双流体模型中的连续性方程和动量方程引用文献[4],相间作用力和粘度方程的数学表达如下:

1)相间作用力

在双流体模型中,将颗粒相等效为连续性介质,对液相和颗粒相分别应用Navier-Stokes公式(N-S方程),通过相间作用力耦合液相与颗粒相,其中相互作用力包括拖曳力(FDF)和升力(FLF),具体数学表达式如下:

(1)

(2)

2)粘度方程

Gidaspow模型是利用颗粒温度方程来描述颗粒相互作用,将固相颗粒的相互作用类比于稠密气体分子间作用,通过对颗粒温度方程求解进而获得颗粒拟流体的剪切粘度。其中颗粒相剪切粘度μs[kg/(m·s)]的数学表达式如下:

(3)

式中:ρs为流体颗粒相的密度,kg/m3;ds为颗粒直径,m;Θs为颗粒温度,m2/s2;ess为对颗粒非弹性碰撞进行修正的修正系数,其值一般在0～1之间选取;g0,ss为对颗粒间碰撞概率进行修正的径向分布函数。此外还包括颗粒相体粘度λs以及颗粒相正应力ps的计算公式:

(4)

(5)

2 数学模拟结果分析

利用Fluent平台进行流体计算,水平直管长为1 m,直径为25 mm。设定乙醇浆体含固率分别为10.4%、15.5%、20.1%、25.1%、30.5%,流速分别为0.51、0.71、0.92、1.20、1.50 m/s,设定边界条件(速度入口、压力出口和绝热壁面)。为了证明模型的准确性,进行了网格无关性验证,如图1所示,划分最小单元格尺寸为0.001 m,网格质量达到0.817。

图1 网格无关性验证结果

参考文献[15-18],本文对低温下乙醇流体的基本物性参数进行拟合,关联式如下:

ρ=1 044.025-0.871T

(6)

ν=exp(-6.21+1 751.22/T)

(7)

cp=109.64-0.29T+9.71×10-4T2

(8)

式中:ρ为密度,kg/m3;T为温度,K;ν为粘度,mPa·s;cp为比定压热容,J/(kg·K)。在161.71～200.23 K温度之间,乙醇密度关联式计算结果与实验结果最大偏差为0.19%,最小偏差为0.003%,平均偏差为0.07%;粘度关联式计算平均偏差为5.98%;乙醇比定压热容关联式计算结果与实验结果最大偏差为0.70%,最小偏差为0.56%,平均偏差为0.64%。

为了验证理论模型的准确性,利用该模型计算了入口含冰率为10%、20%的冰浆流动压降,结果分别为2.489、3.121 kPa,与文献[19]的冰浆实验结果与模拟结果进行对比,相对误差在±15%范围之内,数值较为接近。

利用Gidaspow模型的模拟结果如图2、图3所示。模拟结果表明,随着流速的增大,乙醇浆体在管路内的压降随之增大;而受到乙醇固体颗粒的影响,随着含固率的增加,乙醇浆体流速对浆体压降的影响越来越明显。在相同流速下,随着乙醇含固率的增加,压降增加并非为线性,而是随着乙醇含固率增加压降增加越来越明显。

图2 Gidaspow模型模拟不同流速下乙醇浆体压降随含固率的变化

图3 Gidaspow模型模拟不同含固率下乙醇浆体压降随流速的变化

3 实验原理与系统搭建

3.1 实验原理

本文的乙醇浆体制备参考溶液动态制冰的实验台[20],实验系统如图4所示。在浆体制备过程中,考虑现有实验条件及安全性,选用液氮代替LNG作为冷源,液氮与乙醇在换热器中通过换热壁面换热,利用喷涂在换热壁面的聚四氟乙烯抑制乙醇固相颗粒在换热器壁面黏附,实现了浆体的制取。该种浆体制备方式避免了冷剂与蓄冷介质的直接接触,适用于LNG动力冷藏车的实际应用场合。

图4 实验系统

图5 乙醇浆体压降随含固率的变化

3.2 系统搭建

实验系统主要包括三部分,分别为乙醇浆体制备换热段、流动压降测试段和数据记录采集系统。其中换热段选用壳管式换热器,管程选用螺旋盘管,壳体选用不锈钢材质的圆柱桶体,换热壁面为铜材质,并在壁面上喷涂四氟乙烯(PTFE),同时为了加快乙醇降温速率、减少液氮消耗量,在该换热段并联了螺旋套管式换热器,大幅缩短了乙醇从室温降至冰点附近所用的时间。根据液氮/氮气以及乙醇浆体的特点,选取了扬程为20 m、功率为1.5 kW、额定流量为150 L/min的离心式磁力泵(MDZ-20)作为系统的输送泵;选用了容积为30 L的储液罐;在压降测试段,选取了厚度为100 mm的聚氨酯硬质壳作为管路的保温材料,其余输送管路均包裹着厚度为50 mm的保温棉。流动压降测试段需要测量流动介质的压力、温度及流量,实验测量仪器的参数如表1所示。数据采集采用安捷伦34970A数据采集仪,采集数据通过Agilent软件在电脑上实时显示。

表1 实验测量仪器参数

为了得到乙醇的含固率,实验中利用了系统热平衡法进行计算[21]。在实验过程中,根据系统能量守恒可得:

(9)

(10)

4 实验结果

4.1 含固率对浆体压降的影响

图4所示为实验中压降随含固率的变化。可以看出,在相同流速下,浆体流动压降随含固率的增加呈非线性增加,含固率越高,压降增长斜率越大。且当流速为0.51 m/s时,含固率从10.4%变化为20.1%,压降增长斜率较低;当流速处于0.71 m/s及0.92 m/s时,随着含固率增大,压降非线性增长。因此通过实验发现,在流速较大的情况下,含固率对压降的非线性影响更加显著。

4.2 流速对浆体压降的影响

图6所示为实验压降随流速的变化。可以看出,含固率相同的情况下,乙醇浆体压降随流速增大呈现线性增大。同时也发现,当乙醇浆体的含固率增大,浆体压降随流速增大的线性斜率也增大。

图6 乙醇浆体压降随流速的变化

4.3 实验与模拟结果对比

图7所示为水平直管内乙醇浆体流动压降模拟值与实验值对比。由图7可知,数值模拟和实验的压降值相比,最大偏差为19.2%,平均偏差为12.8%,总体偏差小于±20%。

图7 乙醇浆体流动压降模拟值与实验值对比

5 结论

本文研究了乙醇浆体在水平直管内的流动特性,在含固率的计算方面,不同于称重法和温度计算法,利用热平衡方法计算乙醇浆体含固率。从数值模拟和实验验证两方面研究了乙醇浆体流动压降随含固率和流速的变化趋势,通过对比模拟值和实验结果验证了Gidaspow模型的可用性。得到结论如下:

1)从数值模拟的结果来看,乙醇浆体在流速一定时,随着含固率从10.4%增至30.5%,压降变化呈现非线性增大,且斜率增加越来越大。而当含固率一定时,压降也随流速的增加而增大,且含固率越大,压降变化越显著。

2)实验表明在含固率相同时,流速从0.51 m/s增至0.92 m/s,压降随流速增大呈近似线性增大。当含固率增大时,而在相同的流速下,压降随含固率的增加呈非线性增加,含固率越高,压降增长斜率越大。当流速为0.92 m/s时,压降随含固率的增加变化率为75.5%,与流速为0.51 m/s相比增加了26.7%。

3)利用Gidaspow模型计算的乙醇浆体压降模拟值与实验值相比,平均偏差为12.8%,验证了该模型在预测乙醇浆体流动压降方面的可行性。

本文并未对乙醇浆体的颗粒粒径进行控制,对乙醇浆体流动过程中固相分布及行为尚未加以实验验证,上述因素也对浆体流动压降有较大影响,因此后续仍需对乙醇浆体展开进一步研究。