細(xì)顆粒在粗糙管壁管道內(nèi)運(yùn)動特性的研究

林達(dá)平，周 濤，李精精，楊 旭，汝小龍

（華北電力大學(xué)核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京102206）

細(xì)顆粒廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中.工業(yè)生產(chǎn)排放的污染物和機(jī)動車排出的尾氣中含有大量細(xì)顆粒物，直接危害著人體健康.對于高溫氣冷堆，石墨材料由于摩擦等相互作用會產(chǎn)生石墨粉塵顆粒，這些石墨粉塵顆?？赡茉谝换芈繁砻婧土鲃铀绤^(qū)沉積，影響管道的換熱，并且對設(shè)備的維護(hù)和檢修帶來不便［1-3］.對于超臨界水冷堆，在普通事故工況和嚴(yán)重事故工況時(shí)，所產(chǎn)生的具有放射性的細(xì)顆?？赡軙o環(huán)境和公眾帶來嚴(yán)重危害.湍流流動時(shí)，細(xì)顆粒在管道中主要發(fā)生熱泳沉積和湍流沉積.周濤等［4-5］對矩形管道邊界層內(nèi)亞微米顆粒的熱泳沉積規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對湍流環(huán)形通道熱泳脫除可吸入顆粒物技術(shù)進(jìn)行了研究，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了可吸入顆粒物的脫除效率.Healy等［6］通過實(shí)驗(yàn)研究了在跨流溫度變化情況下湍流環(huán)形流中細(xì)顆粒的沉積規(guī)律，并重點(diǎn)對熱泳作用進(jìn)行了理論分析.Lee等［7-9］研究了細(xì)顆粒在管道內(nèi)湍流流動中的熱泳沉積現(xiàn)象.彭威等［10-12］研究了高溫氣冷堆石墨粉塵的湍流沉積率和熱泳沉積率隨功率的變化.粗糙管壁會影響管道內(nèi)的流場分布、溫度分布以及管道的傳熱特性，從而影響顆粒的運(yùn)動和沉積.Kussin等［13］研究了顆粒在豎直粗糙壁面管道內(nèi)的運(yùn)動和湍流特性，發(fā)現(xiàn)壁面粗糙度會影響顆粒的速度.Eskin等［14-16］研究了管壁對細(xì)顆粒流動的影響，包括管壁粗糙度對其的影響.張夏等［17］研究了壁面粗糙度對水平后臺階氣固兩相流的影響，結(jié)果表明壁面粗糙度會影響顆粒的速度，對不同粒徑顆粒運(yùn)動影響的強(qiáng)弱不同.

目前，對于粗糙度的研究主要集中在粗糙度對流動的影響，所涉及的細(xì)顆粒也為毫米量級，而有關(guān)粗糙度對微米量級細(xì)顆粒的熱泳沉積和湍流沉積的影響研究較少.微米量級細(xì)顆粒的脫除是目前顆粒脫除領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn).管道內(nèi)氣固兩相流的研究在化工、石油和電力生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.因此，研究細(xì)顆粒在粗糙管壁窄通道內(nèi)的運(yùn)動特性具有重要意義.筆者擬研究細(xì)顆粒在粗糙管道內(nèi)的運(yùn)動沉積規(guī)律，所采用的管道是前人研究較少的細(xì)小窄通道，通過窄通道上的細(xì)顆粒受到的熱泳沉積和湍流沉積來脫除微米量級細(xì)顆粒，從而達(dá)到凈化除塵的效果.

1 研究對象

選用1 000mm×20mm×20mm 的窄矩形通道作為研究對象，如圖1所示.

圖1 窄矩形通道示意圖Fig.1 Structural diagram of the narrow rectangular channel

通道豎直放置，細(xì)顆粒和空氣兩相沿z軸正方向流動，從窄通道的下端口流入，上端口流出.管壁溫度低于兩相流溫度，在管道內(nèi)形成溫度差.采用Fluent軟件進(jìn)行模擬，管道內(nèi)壁設(shè)置粗糙度，另外設(shè)定光滑內(nèi)壁作為對照組.

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算參數(shù)

細(xì)顆粒在管道內(nèi)流動的主要參數(shù)見表1.表1中，流體流速的設(shè)定借鑒了Matsusaka等［18］的實(shí)驗(yàn)條件.在實(shí)際情況下，利用抽氣機(jī)將氣固兩相流抽到窄通道內(nèi)進(jìn)行顆粒脫除，由于橫截面突然減小，流速急劇增大，因此流速的設(shè)定滿足工業(yè)氣固輸運(yùn)實(shí)際情況范圍.選取距進(jìn)口0.3m 處的垂直于兩相流流動方向的正方形截面進(jìn)行分析.

表1 細(xì)顆粒流動參數(shù)1）Tab.1 Main technical parameters of fine particles in the channel

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 熱泳模型

懸浮于流場中的細(xì)顆粒會受到一個(gè)由于溫度梯度造成的與溫度梯度反向的力，即熱泳力.熱泳力Fth可用下式表示：

式中：μ為氣體動力黏度，Pa·s；υ為氣體運(yùn)動黏度，m2／s；dp為顆粒當(dāng)量直徑，m；Cs＝1.17，為熱滑移系數(shù)；Cm＝1.14，為滑移邊界條件中動量交換系數(shù)；Ct＝2.18，為溫度跳躍邊界條件中動量交換系數(shù)；Kn為克努森數(shù)；k為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；ΔT為氣體在x方向上的溫度梯度，K／m；T為氣體絕對溫度，K.

2.2.2 湍流模型

在模擬過程中，湍流模型選用了顆粒群模型.顆粒群模型是一種顆粒隨機(jī)輸運(yùn)模型，這個(gè)模型運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散.通過計(jì)算顆粒的系綜平均運(yùn)動方程得到顆粒的某個(gè)“平均軌道”.顆粒群以點(diǎn)源形式或以一個(gè)初始直徑狀態(tài)進(jìn)入流動區(qū)域.當(dāng)其穿過流動區(qū)域時(shí)，顆粒群由于湍流擴(kuò)散作用而發(fā)生膨脹.顆粒在此顆粒群的位置由概率密度函數(shù)確定，而概率密度函數(shù)的期望值正處于顆粒群軌道的中心.

2.3 計(jì)算流程

模擬過程采用離散相模型.其中，細(xì)顆粒作為離散相，空氣作為連續(xù)相，相互混合后流入研究段中.Fluent中離散相模型遵循歐拉-拉格朗日方法.空氣被處理為連續(xù)相，直接求解時(shí)采用納維-斯托克斯方程；而離散相是通過計(jì)算流場中大量細(xì)顆粒的運(yùn)動得到的.模擬的計(jì)算流程見圖2.

圖2 計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart

2.4 敏感度分析

在相同條件下，分別計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為28 000、480 000和640 000的模型，進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析.與其他2種網(wǎng)格相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)為28 000的模型的計(jì)算結(jié)果存在嚴(yán)重失真現(xiàn)象，而節(jié)點(diǎn)數(shù)為480 000和640 000的模型的計(jì)算結(jié)果相差不大.因此，使用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為480 000的模型進(jìn)行計(jì)算.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 溫度場

圖3給出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的溫度分布.模擬時(shí)設(shè)定管壁的溫度為恒定300K.由圖3可知，管壁中間的溫度較高，靠近管壁處由于壁面的冷卻，溫度逐漸降低.對比圖3 中2 條曲線可知，粗糙窄矩形通道在管道中間的溫度較低，在靠近管壁處的溫度梯度增大，可知粗糙的管壁改變了管道內(nèi)的溫度分布.粗糙度促進(jìn)了流體的攪渾，增強(qiáng)了流體與管壁的換熱，使得管道中間溫度較低，并且管道內(nèi)溫度分布較為平緩，也就造成了粗糙度區(qū)域和管壁處的溫度梯度增大.

圖3 光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的溫度分布Fig.3 Distribution of temperature field respectively in smooth and rough narrow channel

3.2 湍流強(qiáng)度

圖4給出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的湍流強(qiáng)度分布.模擬時(shí)設(shè)定管壁溫度為恒定300K.湍流強(qiáng)度是衡量湍流強(qiáng)弱的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn).從圖4可以看出窄矩形通道中湍流強(qiáng)度在截面上的分布.當(dāng)設(shè)定了管壁粗糙度后，由于粗糙度的影響，靠近管壁處的湍流強(qiáng)度增大.這是因?yàn)榇植谠拇嬖谠鰪?qiáng)了管壁附近的流動擾動，從而增強(qiáng)了管壁處的湍流作用.

圖4 窄矩形通道的湍流強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution of turbulent intensity in narrow channel

3.3 速度場

圖5給出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的徑向速度場分布.細(xì)顆粒在管道內(nèi)受到熱泳效應(yīng)和湍流效應(yīng)影響，從而向管壁運(yùn)動.從圖5可以看出，細(xì)顆粒的徑向速度在靠近管壁處存在極值.這是因?yàn)樵诳拷鼙诟浇?，?xì)顆粒受到了熱泳效應(yīng)和湍流效應(yīng)的影響，具有指向壁面的加速度，而在靠近管壁處細(xì)顆粒受到管壁黏性力的影響，熱泳力和黏性力的共同作用使得在靠近管壁處細(xì)顆粒速度達(dá)到極值.另外，管壁左右兩側(cè)的速度分布不是絕對對稱，這主要是因?yàn)榧?xì)顆粒受到了隨機(jī)的湍流效應(yīng)的影響.對比圖5（a）和圖5（b）可以看出，在相同條件下，粗糙管壁通道內(nèi)細(xì)顆粒的徑向速度有所增大，并且分布更加不對稱，這是因?yàn)樵诳拷鼙谖恢?，粗糙管道的溫度梯度更大，并且粗糙管壁引起的湍流增?qiáng).

圖5 窄矩形通道的徑向速度場分布Fig.5 Distribution of radial velocity in narrow channel

3.4 顆粒速度

為了表征粗糙管壁對顆粒運(yùn)動的作用，利用Fluent軟件將顆粒物的x軸速度和y軸速度導(dǎo)出，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果見表2.

表2 細(xì)顆粒速度數(shù)據(jù)處理Tab.2 Velocity data analysis of fine particles

從表2可以看出，粗糙管壁情況下，細(xì)顆粒的x軸速度平均值和y軸速度平均值均比在光滑管壁情況下大，說明粗糙管壁對細(xì)顆粒速度有促進(jìn)作用，增強(qiáng)了細(xì)顆粒向管壁處的運(yùn)動趨勢.方差體現(xiàn)了速度的波動，由表2還可以看出，粗糙管壁情況下細(xì)顆粒的x軸速度和y軸速度的波動均比光滑管壁情況下大，這是因?yàn)榇植诠鼙诘耐牧髯饔幂^強(qiáng)導(dǎo)致的.

3.5 質(zhì)量濃度場

圖6給出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道內(nèi)的細(xì)顆粒質(zhì)量濃度分布.從圖6可以看出，細(xì)顆粒質(zhì)量濃度在管道中間部分及靠近管壁處都存在極值.這是因?yàn)槭艿綗嵊拘?yīng)和湍流效應(yīng)的影響，細(xì)顆粒產(chǎn)生向管壁運(yùn)動的速度，從而使得顆粒物沉積到管壁上，并在靠近管壁處富集.對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，粗糙管壁情況下靠近管壁處的細(xì)顆粒質(zhì)量濃度比較高.這是因?yàn)榇植诠鼙谝鸬耐牧鞒练e效應(yīng)和熱泳沉積效應(yīng)較強(qiáng)的緣故.

圖6 窄矩形通道內(nèi)細(xì)顆粒質(zhì)量濃度分布Fig.6 Distribution of fine particle mass concentration in narrow channel

4 結(jié) 論

（1）粗糙度會對管道內(nèi)細(xì)顆粒和空氣的流動產(chǎn)生影響，從而影響管道內(nèi)溫度場的分布.粗糙度使得管道中間的溫度降低，管道內(nèi)溫度分布較為平緩，但是增大了管壁附近的溫度梯度.

（2）粗糙度會影響管道內(nèi)細(xì)顆粒的徑向速度分布，增大管道內(nèi)徑向速度的極值，并且增加管道兩側(cè)徑向速度極值的不對稱性，導(dǎo)致管道內(nèi)顆粒的湍流沉積和熱泳沉積.

（3）粗糙度會影響管道內(nèi)細(xì)顆粒的質(zhì)量濃度分布，促進(jìn)管壁附近細(xì)顆粒的富集.

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