管道冰水两相流动阻力特性的数值模拟

邓义斌 王飞显 范世东

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

管道冰水两相流动阻力特性的数值模拟

邓义斌 王飞显 范世东

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

在忽略相变的前提下，利用 Fluent对水平管内冰水两相流动的阻力特性开展数值模拟研究.考察不同颗粒碰撞弹性恢复系数对管道流动压力损失的影响，对清水与冰水两相流动的管道压力损失进行分析比较.研究冰水两相流在不同水流流速、颗粒直径、颗粒质量流量、管壁粗糙度的管道阻力特性，并与含沙水流进行比较.计算结果表明，碰撞弹性恢复系数、水流流速、颗粒直径、颗粒质量流量对管内两相流动阻力特性影响显著，相同条件下管道流动阻力从大到小依次为冰水两相流、含沙水流、水.

管道； 冰水两相流；含沙水流；阻力特性；数值模拟

0 引 言

由于全球变暖，两极海冰融化加快，正在开辟的北极航道成为全球航运关注的焦点，随之而来的船舶关键系统低温环境的适用性问题也引起广泛关注.大量细小海冰随水流进入海水管道形成冰水两相流动，增大管道的阻力损失，影响海水管道运行特性.在管道运行特性研究上，通过管道阻力损失计算并获得相应的减阻措施是重要目标[1].在阻力损失实验研究方面，以粉体气力输送[2]、水煤浆管道输送研究结果居多[3]，另外国内外对于输送泥沙的管道运行特性也有一定程度的研究[4]，但关于冰水两相流对于管道阻力特性的影响却鲜有报道.随着数值计算技术的快速发展，数值计算方法已经应用到多相流管道摩擦阻力的研究，如基于Fluent的管道内壁表面状态对流体摩擦阻力的影响分析[5]、基于CFD的管道局部阻力计算[6]，以及针对不同粒径[7]、粗糙度[8]对管道摩阻系数的影响分析计算.

为研究管道冰水两相流动阻力特性的影响因素和作用规律，本文在忽略相变的前提下，采用数值计算方法分析颗粒碰撞弹性恢复系数对管道流动压力损失的影响，分析比较清水与冰水两相流的管道阻力特性，研究冰水两相流在不同水流流速、颗粒质量流量、颗粒直径、管壁面粗糙度条件下的管道阻力特性，与含沙水流进行比较.

1 数理模型

在冰水两相流的数值模拟中，液相在管道中以一定的速度流动，不考虑滑移速度的影响，湍流计算采用Standardk-ε湍流模型，用标准壁面函数处理作为壁面处流场的分析，采用Lagrangian离散相模型来分析计算固相颗粒的运动，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，考虑重力作用的影响，以及粒子与管道壁面的非弹性碰撞，忽略固相颗粒之间的碰撞问题，利用管道沿程阻力摩阻系数推算式来计算管道摩阻系数.

1.1 颗粒相模型

由于Lagrange颗粒随机轨道模型能够准确地预测颗粒的扩散运动，考虑到湍流对颗粒的扩散作用，采用随机轨道模型对其进行模拟.离散相颗粒的平衡方程为[9]

(1)

(2)

1.2 摩阻系数的计算

在进行管道水力计算时，摩阻压头损失计算可由达西公式和伯努利方程联立求出.

(3)

(4)

式中：λ为摩阻系数；L为管道长度；D为管道内径；W为液体流速；g为重力加速度；Δp为管道沿程压降；ρ为液体密度.

由式(3)～(4)可以推导出摩阻系数的计算公式为

(5)

根据数值仿真结果得到管道压降，结合管道和流体的相关参数，可以计算得到管道摩阻系数.

1.3 颗粒与管壁的碰撞作用

固相颗粒与管壁的相互作用有在壁面反弹、被壁面捕获、穿过壁面3种形式.为研究冰颗粒与壁面碰撞的管道阻力特性，将颗粒与壁面的作用看作壁面反弹.当管道中液体处于湍流状态，颗粒在一定的速度下随着液体一起在管道中运动，颗粒在湍流流体中受到液体的作用力，颗粒与管道壁面不可避免发生碰撞，不同的碰撞作用将导致管道阻力损失产生变化.

1.4 网格划分、边界条件以及参数设置

以水平圆形直管为模拟对象，管道全长10 m、直径0.2 m.管道采用六面体网格，共划分385 641个网格，见图1.

图1 管道的网格划分

以水作为液相，边界条件设为速度入口和自由出口，壁面设为无滑移壁面，颗粒与壁面的作用设为弹性反射，出口为逃逸.首先进行不同弹性碰撞恢复系数(0.9，0.8，0.7，0.6)的颗粒两相流对管道阻力特性的影响计算；然后计算比较清水与冰水两相流动的管道压力损失变化；最后分别计算冰颗粒和沙颗粒在不同边界值时的摩阻特性，并进行分析比较.其中涉及的参数取值见表1.

表1 参数设置值

2 计算结果分析

2.1 不同颗粒弹性碰撞恢复系数的影响

在水流速度10 m/s、颗粒直径1 μ m、颗粒质量流量3 kg/s、管道壁面粗糙度46 μ m的边界条件时，颗粒碰撞弹性恢复系数分别以0.9,0.8,0.7,0.6变化，管道两相流动进出口压力损失变化见图2.由图可知，随弹性碰撞恢复系数的增加，管道进出口压差逐渐减小，管道摩阻系数逐渐下降，基本成线性关系.这主要是因为弹性碰撞恢复系数越大，粒子在碰撞之后的动能变化越少，速度变化也越小，而颗粒在紊态水流中具有很好的跟随性，速度变化大的粒子在水流作用下受的作用力也更大，阻力损失也更大，因此碰撞弹性恢复系数较大时，粒子速度变化较小，阻力损失较小，摩阻系数也较小.

图2 不同颗粒弹性恢复系数的管道进出口压力差

2.2 清水与冰水两相流压力损失比较

在管道壁面粗糙度46 μm条件下，水流速度分别以6,8,10,12,14 m/s变化时清水与冰水两相流(冰颗粒直径为1 μm，冰颗粒质量流量为3 kg/s)管道进出口压力损失变化见图3.由图可知在该段水流速度范围内，清水的管道进出口压力损失随流速的增大略有上升趋势，而冰水两相流的压力损失随流速增加上升趋势比较明显，并且比清水管道压力损失要大得多，由此可知冰水两相流的管道摩阻系数比清水的大得多.管道阻力包含液相阻力、位能变化以及固相阻力，其中液相阻力指的是流体与管壁的摩阻损失以及流体紊动能量损失，固相阻力包括颗粒与颗粒间碰撞耗能以及颗粒与管壁的非弹性碰撞耗能；位能变化是指非水平管中因物料的提升或下降引起的位能变化，水平管不存在位能变化.冰水两相流动过程中除液相阻力外还有冰颗粒与管壁、冰颗粒之间的碰撞造成固相压力损失.固相的存在是导致管道阻力显著增加的主要原因，固相阻力在冰水两相流动压力损失中占主要部分.

图3 管道清水与冰水两相流动压力损失比较图

2.3 冰水两相流摩阻系数影响因素分析

1) 流速对摩阻系数的影响 由2.2冰水两相流管道压力损失计算得到的管道摩阻系数随水流速度变化见图4.由图4可见，在该段水流速度范围内，随着水流流速的增加，管道的摩阻系数不断降低.水平两相管流流态分为推移和悬移，其中推移又分为滚动推移和滑动推移.从固相阻力而言，悬移状态阻力损失要比推移状态要小.因此当流速较小时，管内流态呈现推移状态，固相阻力相对较大，管道摩阻系数较大；随着流速的增加，悬移状态增加，固相阻力减小，液相阻力略有增加，但总体而言，固相阻力的减小幅度要比液相阻力的增幅要大，因此管道摩阻减小；在高流速状况时，管内流体处于完全悬浮均质流状态，固相阻力变化不大，此时管道摩阻主要受液相影响.

图4 管道摩阻系数随水流速度变化图

2) 颗粒质量流量对摩阻系数的影响 图5表示边界条件为水流速度为6 m/s、颗粒直径为1 μm、壁面粗糙度为46 μm时，粒子质量流量以1，2，3，4，5 kg/s变化.随着冰颗粒质量流量的增加，管道摩阻系数呈上升趋势.这是由于质量流量的增加使得冰颗粒的浓度也不断增大，从而与壁面接触碰撞的粒子数也越来越多，流动阻力也相对增加，因而摩阻系数增加.

图5 管道摩阻系数随质量流量变化图

3) 颗粒直径对摩阻系数的影响 图6表示边界条件为水流速度为10 m/s、粒子质量流量为3 kg/s、壁面粗糙度为46 μm时，颗粒直径以1，2，3，4，5 μm变化.随着冰颗粒直径的增加，管道摩阻系数总体呈下降趋势.这是由于在颗粒质量流量不变的情况下，随着颗粒直径的增加，流动的颗粒数量会相对减少，流动的阻力也会相应减小，因而摩阻系数会下降.但颗粒直径增大后，其跟随性变差，因此粒径增大到3 μm后降幅趋于平缓.

图6 管道摩阻系数随颗粒直径变化图

4) 壁面粗糙度对摩阻系数的影响 图7表示边界条件为水流速度以10 m/s、颗粒直径为1 μm、粒子质量流量为3 kg/s时，壁面粗糙度以26,46,66,86,106 μm变化.由图7可知，随着管壁粗糙度的增加，管道摩阻系数变化幅度较小，变化规律不明显.

图7 管道摩阻系数随壁面精糙度变化图

2.4 冰水两相流与含沙水流的摩阻系数比较分析

不同边界条件下，含沙水流与冰水两相流的管道摩阻系数变化如图4～7所示.由图可知，冰水两相流的管道摩阻系数大于含沙水流的管道摩阻系数；两者受速度、质量流量、颗粒直径的影响规律基本相同；壁面粗糙度对于冰水两相流输送管道摩阻系数以及含沙水流管道的摩阻系数影响程度都较小，但是冰水两相流输送管道摩阻系数有先增后减的趋势，而含沙水流管道的摩阻系数则是先减后增的趋势.

3 结 论

1) 管道摩阻系数随颗粒碰撞弹性恢复系数的增加而减小，基本呈线性关系；固相阻力在冰水两相流动阻力损失中占主要部分.

2) 在一定范围内，水流速度的增加、冰颗粒直径的增加都会使得管道摩阻系数下降；冰颗粒质量流量的增加使得管道摩阻系数增加；不同粗糙度对于管道摩阻系数的影响不大.

3) 与含沙水流相比，冰水两相流的管道摩阻系数比较大，两者受速度、颗粒质量流量、颗粒直径的影响规律基本相同.

4) 本文通过数值仿真方法得到冰水两相流管道阻力特性的相关趋势，更为准确的定量分析仍需进一步的实验验证.

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Numerical Simulation of Resistance Characteristics for Ice-water Two-phase Flow in Pipes

DENG Yibin WANG Feixian FAN Shidong

(SchoolofEnergy&PowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Ignoring phase transition, numerical simulation study was carried out on resistance characteristics of the ice-water two-phase flow in horizontal pipes based on Fluent;First of all, the effect of different collision elastic recovery coefficients of the solid particles on the pipe pressure loss was assessed , and pressure loss between the water flow and ice-water two-phase flow was compared. Then, resistance characteristics of ice-water two-phase flow was analyzed under different flow velocity,particle diameter, particle mass flow rate,wall roughness, and comparing with sediment flow;The calculation results show that collision elastic recovery coefficient,flow velocity,particle diameter,particle mass flow rate have significant influence on resistance characteristics of the two-phase flow in the pipe.And the descending order of the pipeline flow resistance is ice-water two-phase flow, sediment-laden flow,water.

pipes;ice-water two-phase flow;sediment-laden flow;resistance characteristics;numerical simulation

2015-02-11

U664.84

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.018

邓义斌(1979- )：男，博士，副教授，主要研究领域为管道多相流动