针对Particle-Laden液体设计和优化的涡流管几何
C. Ariyaratne
工程与物理科学学院的阿伯丁大学阿伯丁AB24 3问题,英国
T. F. Jones
粒子科学和工程学院,英国利兹大学,利兹LS2 9 jt,
DOI 10.1002 /aic. 11122
2007年2月16日在线发表,威利跨学科(www.interscience.wiley.com)
新一代的涡流诱导管道与不同横断面几何设计有了惊人的效益。在管道涡流感应中特别是改善运输含颗粒液体，建立了许多优点。粗颗粒在水中一般不形成稳定的悬浮液，特别关心的是许多工业过程。在良好的颗粒分布的旋流结果,需要低流速保持粒子悬浮,并帮助防止管道堵塞。改善磨损性能可以从更多的推断颗粒流,支持的角度和速度的影响和减少的影响。进入涡流管的研究已经表明，诱导裂螺旋几何RY固定截面不变的螺旋为附近的涡流感应的优化设计，降低成本的压力。除了液压优势,浅裂的设计疏通颗粒流的平滑的机械作用。改善磨损性能可以从更多的推断过渡管道这样的漩涡是为减少入口和出口压力损失的主要目的。然而,增加出口漩涡强度和减少漩涡衰变率表明涡流管与连续不同横断面几何是前进的方向。
2007年美国化学工程师学会AIChE J,53:757 - 768,757
关键词:管道设计、液压运输、漩涡、计算流体动力学(CFD),particle-laden流.
简介
液压运输固体有很多优势,比如其相对较低的环境影响,其要求基础设施相对较少,较低的操作和维护成本的可能性.至关重要的化工、采矿、和矿产行业。回旋流有潜力提高潜在的有用性液压运输的重要因素,如抽水成本,侵蚀,管道堵塞和粒度分布。
图1所示。优化的涡流管几何由先前的研究人员
以前的研究人员使用了计算流体动力学(CFD)软件用于优化涡流管几何.0.05米管径，一四裂涡流管涡。和一个倾斜直径比率8:1,如图1所示,在涡流感应是最有效的.当量直径被定义为一个圆形的直径管道输送流体的涡流管和流动相等的横截面积的浅裂的涡流管流的连续性。(注意,流的至少部分是描述一个螺旋路径和这部分的截面将略大于等效面积）
优化的基础上进行了涡流有效性,即生成漩涡强度比规范化整个管道压力损失,漩涡强度(S)在哪里角动量通量的比值的产品管道半径和轴向动量通量。
（1）
漩涡的有效性 = （2）
横截面的突然变化时从圆管流传输到浅裂的在高压管结果损失。这可以避免通过提供一个光滑的过渡区,即圆形截面逐步转换到一个分裂的横截面,反之亦然,如图2所示,在几何常数涡流管的入口和出口。
几种不同的变量几何图形的设计基于先前确定的优化几何常数漩涡pipe14进行。这些新设计被使用CFD优化,基于标准的漩涡有效性用作出入境过渡区。在所有情况下,扭曲的优化是基于不可分割的增量,捻一增量代表叶型前的轴向位移进行重复。所以任何four-lobed管会扭曲.
设计变量的截面管
过渡从圆形截面由渐变浅裂的横截面(图2)。两种主要类型的过渡被定义,基于叶面积增长的关系与沿管子长度。
横截面发展:a和b转换
两个比率,a和b,以不同的方式描述变量几何的发展。描述几何的过渡是最简单的,在一个中间位置的面积的比叶在那个位置(ALi)发育完全的叶面积ALfd,即。
（3）
-transition起源于之前验证CFD情况下(尤其是four-lobed涡流管)中两种不同类型的流可以被识别,即核心流和叶流。1这是观察到,four-lobed管、核心流程主要由轴向速度,而叶流动主要由切向速度,如图3所示。此外,four-lobed管显示更少比分裂的不稳定,和有更多的不同的“核心”和“叶”流.
因此,-transition定义如下
(4)
可变几何尺寸沿管的发展
下一个任务是与过渡率沿管轴向距离。最简单的选择是表达面积比作为一个长度的线性函数,即:
这将创建不连续的开始和结束的发展,它是决定运用s形曲线相反,即。
(5)
图2。转型发展管长度;x / L代表长度比例
利用余弦函数避免了不连续面,由于使用一个线性关系,线性法在图4中,插图的平稳过渡.
图4显示了比较a和b的过渡以及叶面积在每种情况下发展。请注意,对于b-transition叶发展快于过渡。预计,这将导致更大的涡流感应b-transition自从叶长的长度为准,和切向速度是集中在叶区域的管道。
Eq。5中的s型函数给定需要进一步优化控制平和或加强其形状。这可以通过重新定义提供纵向函数,如以下部分所述。
过渡指数
进一步细化,过渡指数n,是用来创建一组过渡曲线变化的值,如图5所示。
方程5然后改变
图3。切向速度轮廓涡流管的出口
(6)
图4。进入过渡;叶面积发展比较a和b的长度和线性法。
因此过渡指数n等于1的简单转换解释说在之前的段落.
在一个过渡
nlt;1: 叶的50%点发展了近一开始,
n=1: 50%叶开发点恰恰在船中,
ngt;1: 50%的点是远离点长度的50%。
-transition而言,50%的叶发展是近过渡的开始为每种情况下比过渡指数n。这意味着更大的区域增长的转变,因此,更快叶开发-transition .
CFD方法
分析是需要各种各样的几何图形,实验测试是昂贵和费时的.计算机模型消除了使管道的难度和成本,并提供一个洞察的流场测量实验是困难的。流利v6.0 CFD软件使用的预处理器的策略创建涡流管几何和啮合所有几何图形。过渡使用ProEngineer创建几何图形软件。
图5。条目的转变:转变的影响指数(箭头指向50%叶开发点
图6。典型four-lobe过渡管混合网格生成策略。
(a)等距视图 (b)剖视图
CFD预测单相,只包含纯流体(水)。需要启动的解决方案或“基线”为物理原型测试更复杂的混合物和流变学,不管该管的职责,在某个阶段或其他几乎肯定会只携带液体。在解决固体在场的情况下,平稳机械作用会带他们到现存的漩涡流。解决方案更多的粘性液体和釉浆细粒子芒刺.
被认为是稳定、等温流动。
完全湍流被认为在进口的管道
无滑动边界条件是在墙上
通过考虑水力光滑的管道压降估计,除非另有说明
分子粘度的影响被认为是可以忽略不计的完全湍流区域
四面体网是用于所有漩涡和产品化的几何图形。这是一个非结构化网格细胞定位以不规则的方式,提供更大的灵活性等复杂的几何图形涡流诱导管道,可涉及棱角,例如,在叶的十字路口。典型条目过渡管的网格如图6所示。
统一平均流速的入口边界条件用于模拟进入过渡。在退出过渡模拟速度概要文件从优化几何常数涡流管的出口。一个指定的零均匀静态压力出口边界条件在所有情况下.
标准k -湍流是使用标准壁面函数的模型。标准)湍流模型主要是有效期为完全湍流流动。标准壁函数是对于粘度的影响这一环节，在墙和充分发展湍流区域之间起桥梁作用.这种方法使用了“日志法”,即平均速度是作为一个对数函数的墙的距离完全湍流区域。因此使用标准壁函数时,相邻细胞的壁的距离必须确定,考虑到log-law的距离是有效的(30 lt; ylt; 60)。1、17、18因此,使用过分细孔附近的墙壁被避免,因为墙功能不再是有效的粘性子层(ylt; 30)。靠近壁面网格的细化是确保wall-adjacent细胞位于log-law层(ylt; 60).
以前研究标准模型是建立足够的重复和耗时的调查试验包括涡流管。虽然重正化群(RNG),可实现模型,或雷诺应力模型(RSM)应该表现出实质性的改进流特性包括流线曲率和旋转时没有相当的准确性得到了额外的时间消耗是考虑。RSM湍流模型的使用是当漩涡强度(见表1)大于0.5。几何图形的漩涡和过渡,漩涡强度一般不会超过0.2。
模拟的流动参数被认为是表1中总结.
建立模拟的结果在很大程度上独立于网格大小,grid-independence测试进行了一个漩涡,进入过渡,退出过渡,圆柱形管道。每种情况的初始网格细化了大约两倍数量的元素。压力的值、平均切向速度、涡流强度,漩涡效果(如适用)检查的共通性。
CFD优化几何过渡
|
参数 |
数值 |
|
管道的长度（过度/旋转/组合）（m） |
0.1-0.6 |
|
在入口轴向速度 |
1.5 |
|
在入口径向速度 |
0 |
|
在入口切向速度 |
0 |
|
雷诺数 |
75,000 |
|
出口压力 |
0 |
|
在入口湍流强度 |
4 % |
|
水力直径 |
0.05 |
|
水的密度 |
998.2 |
|
水的粘度 |
0.001 |
表1。流动CFD模拟的参数
|
涡流管 |
过渡管 |
过渡管 |
|
|
切向长度 |
0.4 |
0.1 |
0.1 |
|
速度 |
0.284 |
0.11 |
0.12 |
|
压降 |
426.52 |
119.42 |
125.05 |
|
涡流强度 |
0.137 |
0.061 |
0.068 |
|
漩涡的有效性 |
0.36 |
0.58 |
0.61 |
表2。比较a和b的过渡管道(它们1)和一个优化的涡流管(所有Four-Lobed)
确定,不出所料,b过渡设计是一个改进的基本过渡设计,以及如何过渡管道相比,优化几何常数漩涡管道。表2总结了仿真结果的比较和条目转换(n=1,即在应用程序的过渡指数)和最佳涡流管。鉴于结果平均值的出口管道。
过渡管道是更有效地比优化几何常数涡流感应涡流管本身,因为他们的漩涡有效性值大。这是因为逐渐从圆形横截面几何过渡到浅裂的几何降低管壁摩擦压力损失,从而产生一个更高效的漩
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