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不同条件下固液二相流在多孔隙介质中入渗规律宋志飞;王建强;赵泽印【摘要】针对生产实际中存在大量二相流在多孔介质中的入渗滞留问题,采用细粒石英砂配置成悬浊液进行砂柱渗透正交模拟实验,研究不同因素对二相流入渗的影响.选定了多孔介质粒径、二相流颗粒粒径、二相流质量分数、水头高度等4项因素,分别取3项水平因子,制定L9(34)正交试验表,然后进行砂柱实验.采用渗透系数变化率ks指标来表征各因素对多孔介质渗透性能的影响程度.结果表明,上述各因素对砂柱渗透系数变化率的影响程度由低到高依次为二相流质量分数、二相流颗粒粒径、水头高度、多孔介质粒径,多孔介质粒径是本实验的主要影响因素.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2017(043)011【总页数】5页(P5-8,12)【关键词】正交实验;粒度分布;中值粒径;多孔介质粒径;渗透系数变化率【作者】宋志飞;王建强;赵泽印【作者单位】北方工业大学土木工程学院北京 100144;北方工业大学土木工程学院北京 100144;北方工业大学土木工程学院北京 100144【正文语种】中文尾矿坝工程中排放的矿浆可认为是一种悬浊液，其排放后在干摊上分层分段沉积，在渗流的作用下，矿浆颗粒会进入坝体，甚至进入反滤层，引起坝体淤堵，破坏反滤层。
因此，研究悬浊液颗粒在多孔介质中的入渗规律对尾矿坝及水坝防淤和排渗具有重要意义。
目前，关于多孔介质中颗粒迁移和沉积等方面研究主要有：李识博、李文涛等[1-2]采用颗粒流程序(Particle Flow Code)模拟了松散堆积物坝基渗透淤堵试验中淤堵颗粒在孔隙中的运动过程；陈星欣等[3]通过穿透曲线研究了不同浓度悬浊液颗粒在饱和多孔介质中运动规律，通过室内土柱试验研究了重力对饱和多孔介质中颗粒输运特性的影响[4-5]。
综上所述，关于多孔介质中悬浮颗粒运动的研究很多，但关于不同条件下固液二相流在不同多孔隙介质中入渗规律的研究很少。
因此，本实验首先分析了影响固液二相流入渗多孔介质的因素，然后就主要影响因素进行了不同条件下固液二相流入渗多孔介质的正交相似实验，以得到不同因素对入渗过程的影响规律。
关于固-液-气两相流的思考1、什么是固液分离？固液分离及solid-liquid separation，从字面意义上看就是把固体和液体分开的过程。
具体是指将离散的难溶固体颗粒从液体中分离出来的机械方法。
2、固液分离的方法有哪些？在生活中有哪些现象或应用？固液分离的方法包括过滤、沉降、浮选以及在离心机和旋流器中借助离心力进行分离等方法，一般是过滤，或利用一些物理及化学原理使固液分割开来后再过滤。
主要有以下几种：（1）过滤：filtration过滤是固液分离的组成部分，它利用过滤介质或多子L膜截留液体中的难溶颗粒。
最早的过滤技术，是用于酒的澄清。
至今过滤技术仍广泛应用在与饮料有关的行业，目的在于排除饮料中的微小而又难排除的固体颗粒，同时还要避免将有香味的蛋白质滤掉。
过滤技术大量应用于净水处理中，净水处理不仅是要从大量的水中除掉各种固体物，包括细菌，而且成本必须很低。
它依靠重力砂过滤来满足这一需要，但近来已日益被加压砂过滤所取代，还有部分为预敷层过滤所取代。
游泳池水的净化，是水净化的现代分支，可逆过滤机为其典型过滤装置。
此外过滤技术也广泛应用于现代化学工业及与其相关领域，例如石油、煤气、塑料、食品、医药等行业均用到了过滤技术，并伴随有新型过滤机和附属设备的开发。
（2）沉降法sedimentation；settling由于分散相和分散介质的密度不同，分散相粒子在力场(重力场或离心力场)作用下发生的定向运动。
沉降的结果使分散体系发生相分离。
可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。
利用悬浮的固体颗粒本身的重力而获得分离的称作重力沉降(gravitational settling)。
利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的称作离心沉降(centrifugal settling)。
重力沉降在生活中的应用非常多：如我们淘米时，先用手将米和水混合，然后静置一下，让米粒在重力作用下沉淀下去，然后再将浑浊的水倒掉，如此往复即可将米淘干净。
硕士学位论文流化床内固液两相流特性及底板布孔优化的模拟研究张泽伟学科名称：港口、海岸及近海工程学科门类：工学指导教师：魏文礼教授申请日期：2017年6月西安理工大学硕士学位论文流态也变得不稳定。
随载体初始填充高度的增大，流化床内载体体积分数相应变大，轴向速度减小，床层膨胀率有小幅波动，流速均匀性和流态都变差。
随流化床入口处液体速度的增大，流化床内载体体积分数减小，床层膨胀率和轴向速度均有明显增大，流速均匀性变差。
（4）通过对流化床内的载体体积分数、载体轴向速度分布及流速不均匀系数等的分析比较后得出：载体颗粒的密度为1500 kg/m3，载体粒径为1mm，载体初始填充高度为0.3m，流化床入口处液体速度为0.15m/s时为所给定生物流化床的最优载体属性和运行参数。
对提高流化床的污水处理效率最为有利。
关键词：流化床；数值模拟；固-液两相流；流场流态；固相体积分数；紊动动能II西安理工大学硕士学位论文solid-liquid two-phase flow in fluidized bed. Through the validation of second model we found that the selected multiphase flow model ,turbulence model, solving method and boundary conditions are in good agreement with the experimental data.. It can concluded that the selected numerical method, mathematical model and boundary conditions can well simulate the flow characteristics of the solid-liquid two-phase flow in fluidized bed.(2) By comparing different distributors, It is concluded that when particle distributor A was installed particles was completely fluidized and formed a uniform flow layer, no local high concentration area, axial concentration fluctuations but not much, and had the most uniform concentration compared others distributors in fluidized bed.When the distribution plate A is set the axial velocity distribution in the fluidized bed is more uniform, and the radial velocity distribution range of the particles is obviously much than that of other distributions, the maximum radial velocity is 0.17m/s, and the collision and friction between the particles is more intense.(3) In the same initial conditions, with the increase of the size of the carrier, the particles volume fraction, axial velocity, and expansion height of the bed decreases reduced the flow rate, the variation of uniformity and flow pattern become severe.With the increase of particles density, the volume fraction of the particle increases, but the expansion height of the bed and axial velocity decreases, the uniformity of velocity and flow pattern becomes worse.With the increase of the initial filling height of the particle, the volume fraction of the particles in the fluidized bed increases, the axial velocity decreases, and the bed expansion rate has a slight fluctuation. With the increase of the liquid velocity at the entrance of the fluidized bed, the volume fraction of the particle in the fluidized bed decreases, and the bed expansion rate and the axial velocity increase obviously.(4)The volume fraction, axial velocity distribution and non-uniform coefficient of velocity of the particles are compared when the different conditions, that found the particle density is 1500 kg/m3, the particle size of 1mm, initial filling height is 0.3m, the liquid velocity at the entrance of the fluidized bed is 0.15m/s was the optimal particle properties and running parameters for the given biological fluidized bed, it can improve the sewage treatment efficiency of fluidized bed..Key words: Fluidized Bed; Numerical Simulation; Solid-Liquid Two-Phase Flow ；Flow Field Structure; Particle V olume Fraction; Turbulent Kinetic EnergyⅡ目录目录摘要 (I)Abstract (I)目录 (I)1 绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.1.1 我国目前污水处理概况 (1)1.1.2 生物膜污水处理法 (1)1.1.3 生物流化床的发展与特点 (1)1.2 流化床反应器的原理与分类 (2)1.2.1 液流动力流化床 (3)1.2.2 气流动力流化床 (3)1.2.3 机械搅拌流化床 (4)1.3 国内外研究进展 (5)1.3.1 流化床的结构型式 (5)1.3.2 流化床的流体力学特性 (7)1.3.3 流化床的主要操作参数 (9)1.3.4 动量和热量传递 (10)1.3.5 生物化学反应 (11)1.4 本文主要研究内容 (11)2 流化床固液两相流数值模拟理论 (13)2.1 算流体力学在模拟生物流化床中的发展及应用 (13)2.2 CFD模拟与模型试验 (13)2.3 CFD的求解过程 (13)2.4 CFD基本控制方程 (14)2.4.1 质量守恒方程 (14)2.4.2 动量守恒方程 (14)2.5 湍流模型概述 (14)2.5.1 标准k-ε模型 (15)2.5.2 RNG k-ε模型 (15)2.5.3 Realizable（可实现）k-ε模型 (16)I西安理工大学硕士学位论文II 2.5.4 Reynolds应力模型 (16)2.6 多相流模型概述 (17)3 模型验证 (26)3.1 数学模型 (26)3.2 模型验证一 (26)3.2.1 计算区域与网格划分 (26)3.2.2 初始条件和边界条件 (27)3.2.3 模型比较 (27)3.3 模型验证二 (30)3.3.1 计算区域与网格划分 (30)3.3.2 初始条件和边界条件 (31)3.3.3 模型验证 (32)3.4 本章小结 (35)4 载体分布板对流化床流场影响的分析 (36)4.1 流化床数值模拟 (36)4.1.1 计算区域与网格划分 (36)4.1.2 边界条件及求解方法 (37)4.2 各分布板对载体体积分数分布的影响 (38)4.3颗粒分布板开孔形式对流场影响 (40)4.3.1 固相流速分析 (40)4.3.2 湍动动能及流速不均匀系数分析 (43)4.4 本章小结 (44)5.颗粒属性和操作参数对流化床流场影响的分析 (45)5.1 载体密度对流化床内流动特性影响 (45)5.2 不同载体填充高度下流场特性的比较 (48)5.3 同一比重和粒径，不同操作速度下流场特性的比较 (51)5.4 不同粒径时流场特性的比较 (55)5.5 本章小结 (57)6 总结与展望 (59)6.1 研究成果总结 (59)目录6.2 不足与展望 (60)致谢 (61)参考文献 (62)附录 (67)A 攻读硕士期间发表的论文 (67)B 攻读硕士期间参与的项目 (67)C 攻读硕士学位期间获得的荣誉 (67)III1 绪论1 1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 我国目前污水处理概况当前国家在环境治理方面投入了大量的人力和物力，尤其是在污水处理方面取得了较好的成绩，污水处理技术也有了较大的发展，尤其是在生物污水处理和活性污泥污水处理方面有了很大的突破。
液--固两相流作为一个新兴的力学分支，液--固两相、气—固两相及气--液两相流动。
一起被统称为两相流体力学。
作为两相流体中的一种类型，液--固两相混合物广泛地存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、建筑、水利、轻工、冶金、环保等各个领域。
尤其近年来，随着科学技术的迅猛发展，新材料、新技术、新工艺的出现，液--固两相流理论的应用范围不断扩大，它在现代工业和科学技术各个领域中的重要性也越来越明显。
液-两相流的应用1.固体颗粒的水利输送传统的管道输送技术的应用范围很有限，输送天很短，输送的介质仅限于粒径非常细小的煤粉。
但是自从50年代以来，水利输送技术有了很大的发展，其应用范围也越来越广，输送距离也由工厂或者工地内部的短距离扩散道上千里的长距离输送。
2．石油钻井中钻屑的运移在石油钻井施工中，循环泥浆的主要作用是清除井底和钻头上的钻屑并将其输送到地面。
合理地设计泥浆以及各流动参数，使之既能保证钻屑的正常远移又能有效地保护井壁和油层，是钻井工艺中的技术关键，同时也是一个非常复杂、难度极大的非牛顿液一固两相流体力学问题。
近年来，钻井界的有识之士已充分意识到钻屑运移规律的研究现状与先进的钻并工艺技术之间的尖锐矛盾，井呼吁尽快开展有关方面的研究，建立既有严格的理论依据又与实际情况相符的模型与方法。
3．油层水力压裂工艺中支撑剂的运移在石油工业中，水力压裂液的性能、支撑剂随压裂液在裂缝中的运移及分布是影响压裂效果，甚至是关系到压裂成败的关键。
目前生产中所使用的压裂液为：各种高分子聚合物溶胶；泡沫压裂液；油基压裂液。
这些压裂液均具有较强的非牛顿流变性。
作为支撑剂的固体颗粒一般为砂子、核桃壳等。
显然，支撑剂在裂缝中运移、分布的研究属于非牛顿液--固两相流动范畴。
液--固两相混合物的分类由于液--固两相混合物的组成、内部结构及状态的复杂性，至今尚无统一的分类标准。
目前研究者们根据各自的观点所提出的分类方法主要有如下四种：1.牛顿型均匀混合物2.非牛顿悬浮体3.牛顿液—固两相混合物4.非牛顿液—固两相混合物液--固两相流模型液--固购相流与气--固两相流在微观结构、相间作用及颗粒相运动机理等方面有许多共同之处。
2015年2月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb. 2015收稿日期：2014−11−15，修回日期：2014−12−31基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51206071)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：11JJ9003)作者简介：彭德其(1972−)，男，湖南省衡山县人，博士，教授，主要从事强化传热和节能环保技术研究，E-mail: pengshuaike@.管内螺旋液固两相流的流动行为及传热彭德其1， 张 浪1， 俞天兰2， 吴淑英1， 支校衡3， 陈 前1(1. 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412008；3. 湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)摘 要：利用Fluent–EDEM 耦合方法对管内插螺旋线的液固两相流动与传热进行数值模拟，分析了螺旋线对固相颗粒的诱导碰撞作用和液固两相流传热性能的影响. 通过实验验证，模拟值与实验值的偏差为6.3%∼13.8%. 模拟结果表明，与管内未插螺旋线对比，管内插螺旋线对液固两相流体具有诱导作用，使流体呈螺旋流状态；在流体离心力和螺旋线共同作用下，贴近管内壁运动的固体颗粒体积分数由0.44%提高到3.27%；相同雷诺数Re 条件下，内插螺旋线液固两相流传热方法的努赛尔数Nu 最大. 在Re ≤60000范围内，内插螺旋线液固两相流的综合评价指标值均高于内插螺旋线和液固两相流单独作用方式. 因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热的工况. 关键词：螺旋线；液固两相流；强化传热；诱导作用中图分类号：TK123 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2015)01−0045−051 前 言换热管内高效强化传热同时减少污垢沉积一直是国内外研究的热点[1−3]，其中旋流和液固两相流作为有效的传热强化技术都得到了广泛研究及应用. 文献[4−8]分别对内插螺旋线和液固两相流强化传热特性进行了实验及数值模拟研究，内插螺旋线和液固两相流都能加剧管内流体湍流强度及边界层的扰动，且进一步提高在线清洗、强化传热能力. 段培清等[9]研究发现，在相同条件下，内插螺旋线管内液固两相流方法强化传热的同时可使污垢量减少20%∼50%. 向寓华等[10]对换热管内插螺旋线液固两相流的清洗能力及阻力进行了实验研究，未发生粒子沉积和堵塞现象，安全可靠性好. Lennart 等[11]利用Fluent–EDEM 模拟软件对流化床粒子碰撞动力学进行了研究，从颗粒平均速度、角速度、颗粒−壁面间碰撞和颗粒之间碰撞频率等方面进行了分析，发现颗粒−传热面之间的碰撞、颗粒对边界层的扰动是固体颗粒强化传热的主要原因. 钟宏伟[12]分析了固相颗粒浓度分布对传热的影响，发现管壁处固相颗粒增多，传热效果更佳. 彭德其等[13]研究了扭曲管中加入固体颗粒的强化传热，与空管相比综合性能提高15.5%，但存在固相颗粒浓度分布不均匀且管壁磨损程度相差很大等问题. 综合以上研究，本工作在实验研究基础上，利用Fluent–EDEM 耦合模拟软件模拟内插螺旋线对固相颗粒运动规律和液固两相流传热性能的影响，并与光管、内插螺旋线及液固两相流单独作用时进行对比，揭示该复合技术的强化传热行为机理.2 实 验2.1 实验设备及条件建立换热管单管实验台，对空管、内插螺旋线、液固两相流、内插螺旋线及液固两相流复合技术进行实验研究. 为描述简便，4种换热管分别用表1中型号代替.表1 换热管型号Table 1 The types of heat exchange tubeType ModelSmooth tube 1# Smooth tube with particles 2# Smooth tube with spiral insert 3# Smooth tube with spiral insert and particles 4#整套实验装置主要由水蒸汽加热系统、冷却水系统及测量控制系统组成. 加热系统为被测实验段；冷却系统主要是冷却加热管内被加热的流体，以便使实验被测段管内流体的进口温度恒定. 单管换热传热性能实验装置如图1所示.图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus1. Heating system2. Cooling system a. Water heating bath b. Water cooling bathc. Heat transfer experiment tube实验用加热管规格φ38 mm ×2 mm ，套管规格φ57 mm ×3.5 mm ，实验段加热管长2000 mm ，螺旋线外径24 mm ，固相颗粒体积浓度2.5%. 前期测试固相颗粒沉降速度为0.3 m/s ，设定实验中流体流速约为1 m/s ，有效传热温差20℃. 2.2 实验方法进行换热管传热性能实验时，热水经水泵进入套管中，冷水经水泵进入加热管中，管内冷水自下向上流动，管外热水自上向下流动. 待热水和冷水温差达到实验要求时，将热水阀门打开，热水由水泵输送到换热套管中，通过阀门控制热水流量以调节换热量，待系统稳定后，读取流量等数据. 每隔5 min 记录一次数据.3 数值模型建立3.1 控制方程内插螺旋线液固两相流强化传热涉及流体−颗粒、流体−壁面、颗粒−壁面等换热，换热类型包括热传导和对流传热. 计算时不考虑组分扩散和黏性耗散引起的能量转移，不包含化学反应放热，根据多相流理论，分别得出液固两相控制方程[14].液相连续方程：[]()f f f (1)[(1)]01,2,3,v v jC u C j t x ρρ∂−∂−+==∂∂ (1)固相连续方程：()()s s s 0,v v jC C u tx ρρ∂∂+=∂∂ (2)液相动量方程：2sff f f d 1,d (1)v u F f p u t C νρρ=−∇+∇+− (3) 第i 个固体颗粒动量方程：s s ss s s fs d d ,d ii i Ai i Au V V f f p A f t ξρρ=−−+∫ (4) 根据动量叠加原理，固体颗粒群动量方程：s s s s s s s s 1111d ,d nn n n ii i i u V V f f V p f t ξρρ=−−∇+∑∑∑∑ (5)假设液相对固相作用力相等，得固相动量方程：f s f sf s s s s d d 11,d d v u u FC C f p t t C ξξρρρρρρ⎛⎞+−=−∇+⎜⎟⎝⎠ (6) 式中，ρf 为液相密度(kg/m 3)，C v 为两相流体中固相体积浓度(%)，t 为时间(s)，u f 为液相速度(m/s)，x j 为x 轴中j 分量，ρs 为固相密度(kg/m 3)，u s 为固相速度(m/s)，u为液相平均速度(m/s)，f f 为单位质量液体质量力(N)，∇p 为压力梯度矢量，ν为流体运动粘度(m 2/s)，F sf 为单位体积两相流体中固相对液相的作用力(N)，V s 为固体体积(m 3)，f s i 为第i 个单位质量固体质量力(N)，f ξi 为附加质量力(N)，p A i 为作用在固相单位面积上的压力分布函数，A 为面积(m 2)，f fs i 为液体对固体颗粒的作用力(N)，u s i 为第i 个固体颗粒速度(m/s)，C ξ为常数(0.5)，f s 为固体质量力(N). 3.2 数学模型以常规换热管φ38 mm ×2 mm 为研究对象. 换热管长2000 mm ，螺旋线外径与换热管内径之比d o /D i =0.7，螺旋线丝径1.5 mm ，螺距P =24 mm ，螺旋线起始端与加热管进口端面相距20 mm. 管内工质为清水，一般工程上流态化强化传热采用的固体颗粒直径为2∼4 mm. 本工作采用固相颗粒直径为2 mm 的惰性固体颗粒⎯陶瓷球，液固混合物中固相颗粒体积浓度为2.5%. 具体物性参数见表2.表2 物料参数Table 2 Parameters of materialsMaterial Density, ρ (kg/m 3) Viscosity, μ (×105 Pa ⋅s) Solid 2300 − Water 998.2 100.5∼300数值模拟时对模型进行如下简化和假设：(1)流体为不可压缩流体；(2)壁面为固定壁面且温度恒定；(3)因螺旋线的横截面相对换热管的横截面很小，螺旋线在管内两端固定，因此，不考虑螺旋线引起的流道截面积减小的影响，忽略螺旋线在管内的振动作用；(4)颗粒之间为点接触，碰撞过程中无变形.对不同节点步长下的网格模型进行求解，发现结果相似，因此网格的影响很小. 本工作利用Gambit 进行四面体非结构网格划分，考虑壁面边界层的影响，对壁面进行边界层网格划分，第一层厚0.01 mm ，共5层；对内插螺旋线的换热管因结构不规整，采用四面体非结构网格进行划分，网格最大为3 mm ，对螺旋线附近网格加密以提高计算精度，如图2所示.图2 内插螺旋线管网格Fig.2 Grid of the tube with spiral coil insert边界条件：管壁及螺旋线满足无滑移边界条件；管第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 47进口设为速度进口边界条件，管出口设为压力出口边界条件，设定液相相关的边界条件. 从Fluent 中设置与EDEM 耦合进入EDEM 的设置中；设置EDEM 中固体颗粒的材料及属性、接触模型和颗粒生产速率、几何体的材料属性；在EDEM 中建立固体颗粒生成工厂，然后再返回Fluent 进行计算. 选用RNG κ−ε湍流模型，SIMPLEC 算法进行压力和速度的耦合，壁面采用强化壁面法处理，方程采用一阶迎风格式进行离散，采用三维双精度分离隐式求解器. 其他边界条件和实验条件相同，分别模拟分析内插螺旋线和加入固体颗粒及两者相结合的方法对传热性能的影响.4 结果及分析在相同条件下计算表面换热系数的实验值，从Fluent 后处理中得出表面换热系数模拟值. 由表3可知，不同强化传热技术的表面换热系数实验值与模拟值偏差为 6.3%∼13.8%，模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了模拟的可靠性. 模拟时未考虑热量损失及测试误差，因而表面换热系数模拟值比实验值大.表3 管内表面换热系数Table 3 Internal surface heat transfer coefficientModelItem1# 2# 3# 4#Experimental value [W/(m 2⋅K)] 2238 2980 3352 4095 Simulation value [W/(m 2⋅K)] 2378 3189 3816 4388 Precision (%) 6.30 7.01 13.807.204.1 管内流体流线及颗粒分布图3为不同强化传热技术相应换热管内流体流线分布，其中标尺为流线标识号. 从图可看出，1#, 2#管内流体流线平行于轴向，3#, 4#管流体流线呈螺旋形，说明管内插螺旋线对流体有明显的诱导旋流作用.(a) 1# (b) 2# (c) 3# (d) 4#图3 管内流体流线Fig.3 Streamlines of fluid in different heat exchange tubes如图4所示，在颗粒浓度为2.5%的条件下，未插螺旋线管内中心处固相颗粒浓度比管内壁面处固相颗粒浓度大；内插螺旋线后，流体由沿轴线方向的流动方式变化为螺旋流方式，螺旋流动的流体对固相颗粒运动有诱导作用，使靠近管壁处固相颗粒明显增多. 利用Fluent–EDEM 软件后处理得出颗粒碰撞数，如图5所示，与管壁发生接触的颗粒数分别占总数的0.44%和3.27%，内插螺旋线后与管壁发生接触的颗粒数是未插螺旋线时的7.432倍，螺旋流动流体增加了固相颗粒对边界层流体的扰动和与管内壁的碰撞几率.(a) 2#(b) 4#图4 管内固体颗粒轴向分布Fig.4 Distributions of particle volume concentration of helicalcross-section with (a) and without helical coil insert (b)图5 与管内壁碰撞的固体颗粒数Fig.5 Number of the particles contacting with tube wall4.2 螺旋线对颗粒分布的诱导影响在管内平均流体流速为 1 m/s 、固相颗粒浓度为2.5%、其他条件相同的情况下，对管内插入不同外径螺旋线时的固相颗粒运动进行分析. 表4为螺旋线外径分别为15, 20, 24, 30 mm 时对固相颗粒运动的影响. 从表可知，螺旋线外径增大，颗粒平均速度减小，管中心颗粒最大速度增大；螺旋线外径越小，颗粒受到的离心力越小，管中心处颗粒越多，因此，螺旋线外径为15 mm 时管内固体颗粒平均速度最小. 螺旋线外径增加，管壁0.00.51.01.52.02.53.03.5050100150200250300350N u m b e r o f c o n t a c t sTime (s)48 过 程 工 程 学 报 第15卷处颗粒增多，固相颗粒在管壁处碰撞频率增大，导致固体颗粒转动动力削弱，从而管壁处固相颗粒平均角速度和最大角速度下降. 表中管壁附近颗粒浓度增大到一定程度后颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞频率增大，所以螺旋外径为24和30 mm 时平均角速度和最大角速度相继减小. 螺旋线外径增大对固相颗粒运动的诱导作用更明显，颗粒随旋流流体运动到管壁周围的数目更多，因此管内壁附近固相颗粒体积浓度增大，碰撞次数更多，更有利于强化传热与除垢防垢作用.表4 螺旋线外径对颗粒的影响Table 4 The effect of out diameter of spiral insert on particlesOut diameter of spiral insert, D spiral (mm)Item15 20 24 30Average velocity (m/s) 0.763 0.733 0.706 0.555 Maximum velocity (m/s) 0.8 0.891 1.308 1.313 Average angular velocity (r/s) 197 349 334 261 Maximum angular velocity (r/s) 765 1009 943 9204.3 固相颗粒浓度对流动及传热的影响在内插螺旋线外径为30 mm 、流体速度为1 m/s 、其他条件相同的情况下，分析了换热管内加入不同体积浓度固体颗粒对流体流动和传热性能的影响.图6为不同固相颗粒浓度湍流强度分布曲线，由图可知，改变固相颗粒浓度对流体湍流强度的影响很大. 颗粒浓度分别为0.5%, 1%, 2.5%, 5%, 8%时，流体的湍流强度依次提高至8.83%∼11.1%, 8.83%∼11.29%, 10.09%∼13.25%, 11.24%∼13.95%, 11.87%∼13.53%；固相颗粒体积浓度增至10%时湍流强度开始出现下降趋势. 因为近壁处固相颗粒体积浓度增大，对热边界层的扰动更强烈，但增大到一定浓度时固相颗粒所占空间反而影响流体运动的充分发展，因此，随固相颗粒浓度增大，湍流强度先增大后减小.图6 湍流强度分布曲线Fig.6 Variation of turbulence intensity distributionwith position under different particle contents4.4 传热及阻力分析由图7中4种强化传热技术相应的努赛尔数Nu 随雷诺数Re 变化曲线可知，Nu 随Re 增大而增大，并逐渐趋于平缓；在相同Re 条件下，4#管的Nu 最大，说明其传热效果最好；在模拟Re 范围内，与1#, 2#, 3#管相比，4#管的Nu 依次提高28%∼86%, 23%∼53%和17%∼31%. 原因是4#管中内插螺旋线使流体产生旋流及固相颗粒在管壁周围的运动都增强了管内流体的湍动，因此，更有利于强化传热.图7 努赛尔数Nu 随雷诺数Re 的变化 Fig.7 Relationship between Nu and Re螺旋线和固体颗粒同时使管内流体受到不同程度的扰动，颗粒运动也需耗散流体功，从而造成管内压降损失相应增加. 图8为不同强化传热技术的阻力系数f 随Re 的变化，由图可知，阻力系数f 随Re 增大而减小；与1#, 2#, 3#管相比，4#管的阻力系数依次提高126%∼ 152%, 104%∼107%, 22%∼24%.图8 阻力系数f 随雷诺数Re 的变化Fig.8 Relationship between friction factor f andReynolds number Re内插螺旋线液固两相流技术强化传热的同时增加了流体管程阻力损失，考虑传热和阻力的综合影响，采用广泛应用的综合性能评价值(PEC)对其综合性能进行评价：()()1/3PEC ///,i i Nu Nu f f = (7)20000400006000080000100000100120140160180200220240260280300N uRe1#2# 3# 4#468101214T u r b u l e n t i n t e n s i t y (%)Position (mm)200004000060000800001000000.030.060.090.120.150.18 C o f f i c i e n t o f r e s i s t a n c e , f1#2# 3# 4#Re第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 49式中，Nu 和f 分别为4#管的努赛尔数和阻力系数，Nu i 和f i 分别为2#或3#管的努赛尔数和阻力系数，下标i 为2#或3#管.如图9所示，在Re ≤60000时，以2#管为被比较对象，4#与2#管的PEC 比值大于1；在模拟Re 范围内，以3#管为被比较对象，4#与3#管的PEC 比值也大于1. 这说明在低流速下4#管的综合性能比2#和3#管好.图9 综合性能对比Fig.9 Comparison of comprehensive performance5 结 论针对管内插螺旋线和液固两相流及其复合技术的流场分布及传热性能进行了研究，得到如下结论：(1)内插螺旋线使管内流体呈明显的螺旋流状态，且内插螺旋线后与管壁发生接触的固相颗粒数由0.44%增加至3.27%.(2)努赛尔数Nu 随雷诺数Re 增大而增大. 在相同的Re 下，螺旋线与液固两相流相结合的强化传热效果最好，但其阻力系数也相应增大.(3)当Re ≤60000时，分别以内插螺旋线和液固两相流传热技术为被比较对象，内插螺旋线与液固两相流复合强化传热技术的PEC 比值均大于1，因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热工况.参考文献：[1] 杨丽云. 防治换热器污垢，降低经济损失 [J]. 化学工程与装备,2009, 6(6): 69−71.[2] Passakorn V , Jarruwat C. 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The particles collision on heat transfer surface and the heat transfer enhancement were analyzed, which was induced by spiral insert. The experiments show that the deviation between the simulation and experimental data is small in the range of 6.3%∼13.8%. The fluid flows spirally, and the volume fraction of particles close to wall is increased from 0.44% to 3.27%, induced by the spiral insert. The results indicate that Nu of the combination is greater than that of only two-phase flow without insert under the same Re . When Re is below 60000, the two-phase tube flow with spiral insert has greater comprehensive evaluation index PEC than liquid −solid flow without insert and spiral insert without particles, respectively. Therefore, this combination technology can be applied in prevention of fouling and enhancement of heat transfer under the condition of low Re condition. Key words: spiral insert; liquid −solid two-phase flow; heat transfer enhancement; induction200004000060000800001000000.900.951.001.051.101.15 C o m b i n a t i o n p r o p e r t y , ηRe。
