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考虑温度场条件下的Y型喉管流场特性分析

更新时间:2009-03-28

气力输送机械广泛应用于各种卸料场合,Y型喉管是这类气力输送机械料气混合的核心部件,其上部固定于料仓底部,用于物料下卸,下部通过管道连接输送机械的动力源部分。物料在重力作用下从上端入口进入管道内,空气在负压抽吸作用下进入管道与物料开始混合,从水平出口处混合流出[1]

人工肝治疗的并发症有出血、凝血、低血压、继发感染、过敏反应、失衡综合征、高枸橼酸盐血症等。需要在人工肝治疗前充分评估并预防并发症的发生,在人工肝治疗中和治疗后严密观察并发症。随着人工肝技术的发展,并发症发生率逐渐下降,一旦出现,可根据具体情况给予相应处理。

作为物料输送系统中的料气混合关键部位,物料速度的急剧变化带来了气固两相剧烈的能量交换,损失的能量使得气固两相温度变化,影响输送系统的气固两相的流动特性和压力特性,是实际生产中不可忽略的重要因素。因此,研究Y型喉管内料气开始混合到稳定阶段的温度场特性对于提高整机输送效率具有重要的指导意义。

Jaberi模拟研究了速度场稳定而温度场衰减的现象,发现温度场的初始条件对流体与颗粒的温度特性有显著的影响[2];Jiradilok等人模拟分析了提升管中的FCC颗粒温度随浓度的变化,发现随着浓度的升高,颗粒温度呈现相反的变化趋势[3];同时,Jiradilok等人又模拟了提升管中运动的木屑的温度变化和扩散效应,发现基于颗粒动力学理论的双欧拉模型可以准确模拟湍流状态下的气固两相流动行为[4];孙婧元等人应用基于颗粒动力学理论的双欧拉模型,模拟了不同表观气速下的气固密相流化床,发现随着表观气速的增加,颗粒温度增大,颗粒温度时间序列的标准偏差增大,平坦度基本不变[5]。综上所述,国内外的学者们对气固两相流颗粒温度进行了细致的研究,但是对于Y型喉管内料气混合阶段温度变化影响两相流场特性和压力特性等方面研究不多。本研究通过利用Fluent软件对基于温度场条件下的Y型喉管内部流场特性进行仿真分析,并重点研究温度变化对系统压力特性和两相流动特性的影响规律。

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1 模型的建立

1.1 几何模型

Y型喉管结构示意图如图1所示,其中,D1为输送管道直径,D2为颗粒入口管道直径,H为固相入口面到水平管道下部之间的高度,αY型喉管角度,L为水平管道长度。

  

图1 Y形喉管示意图

 

Fig.1 Diagram of a Y-type pipe

图1为吸粮机Y型喉管的结构示意图,固体颗粒从上方入口进入,气体从左侧入口进入,混合后的料气从右边的出口流出在Y型喉管内整个料气混合过程中,料气速度的急剧变化带来了气固两相剧烈的能量交换,使得气固两相温度发生变化,影响到整个流场的分布特性和系统的压力特性。肖益民[6]就曾对供料器Y型喉管内的气固两相流场进行数值仿真,分析了不同颗粒入射角,进口速度等对两相流场特性的影响,但未考虑温度场存在的影响。

料气开始混合到1 m处时,考虑实际温度变化的情况下,气固两相温度升高,壁面温度低,存在热泳力的作用,使得粒子群扩散,有效增加了料气接触面积,导致固相速度增加幅度较快。1 m以后,2种情况下均开始形成悬浮流,料气充分混合,未考虑温度场情况下,悬浮颗粒的最终速度达到11.6 m/s;考虑温度场的情况下,因为能量不断以热量的形式损失,输送颗粒的总能量降低,使得最终的粒子悬浮速度为10.2 m/s,比未考虑温度场下降低了13.7%。这说明气固两相间的能量交换带来的温度变化是Y型喉管内气固两相混合过程的重要组成部分。

1.2 数学模型

在Fluent中分析流场时,需要通过控制方程来对流体进行数值计算。本研究采用双欧拉模型来研究Y型喉管的气固两相流动。双欧拉模型中的主要控制方程如下:

孩子们是有思想的。他们比我们想象得睿智,甚至超过我们的智慧。比如,一位作者以小狗的语气写被主人遗弃的失落与悲伤,引发小伙伴们浓厚的阅读兴趣与深深的悲悯情怀。文章如下:

在工况1切换至工况2过程中,电力系统动态响应情况见图5。由图5可知:发电机G3、G7并网后,主汇流排电压和频率经过约10 s振荡后趋稳,电压最大波动低于0.08 p.u.,稳定值约为1.05 p.u.;频率最大波动小于0.03 Hz,稳定值约60.025 Hz。从第145 s开始,推进电机输出功率由极低值,经10 s时间逐渐升至880 kW,主汇流排电压和频率均存在小幅振荡衰减,振荡时间约20 s,电压最大波动约0.01 p.u.,最终稳定在1.04 p.u.;频率最大波动小于0.015 Hz,最终稳定在60.022 Hz。整个切换过程中,电网电压和频率波动范围均满足设计要求。

 

(1)

固相连续方程:

 

(2)

气相动量方程:

(3)

固相动量方程:

2)Y型喉管不同位置的总压测量值如表1所示。

(4)

式中,Cν—固相体积分数;μgμs—气、固相速度,m/s;ρgρS—气固相密度,kg/m3τgτs—气、固相所受到的应力分量,Pa;FgFs—气、固相单位质量的外力,N; MgMs相间作用力,N。

流体的能量主要由动能、势能和内能三部分组成,其能量方程为:

▽·(ρμT)=dT)+ST

(5)

式中,cp—比热容,J/(kg·℃);T—温度,℃;k—流体传热系数,W/(m2·℃);ST—黏性耗散项,J。

人是万物之灵,任何一项活动都要靠人去实践,因此建立一支好的会计队伍是会计职业道德建设的根本。那么如何建设会计队伍呢?首先,在选用人上。在用人上除了是否具备从业资格等硬件条件外,更要注重个人的品行。在实践中对那些品行不端的人坚决不能任用。其次,在后续教育上。业务素质的提升离不开后续的教育,教育的途径多种多样,有职称考试、会计人员从业资格的继续教育、自考学历等。企业要为那些想学、肯学的会计人员提供条件、搭建平台。如:对考出的人员进行奖励、给予考前复习公休、统一联系召集继续教育的培训等。通过选用人、教育人打造一支道德品行、业务素质过得硬的会计队伍。

颗粒的能量方程为[7-8]

 

(6)

式中,Tk—颗粒温度,℃;T—气相温度,℃;λ—气体热导率,W/(m·K);Nuk—气体-颗粒对流传热努塞尔数;εk—颗粒表面发射率;σb—斯蒂芬-玻尔兹曼常数,W/(m2·K4);TW—壁面温度,℃;BK—无量纲颗粒质量变化率。

2 数值仿真

利用Fluent软件对Y型喉管内的温度场进行分析,首先确定好几何模型和数学模型,再对模型进行基本假设、网格划分以及相关参数条件的设置。

2.1 基本假设

在实际工程中,Y型喉管内的流动比较复杂,所以数值仿真前应对实际模型进行适当的简化处理。在不影响实际结果的前提下,只考虑影响流场流动的主要条件,对仿真条件做以下基本假设:

1)颗粒入口处,固体颗粒沿截面分布均匀;

图11所示为试验所用吸粮机(CALY150XBD),图12为试验系统简图。

3)物料颗粒为小麦颗粒,球形,粒径均匀一致;

会议听取了昆明供电局、丽江供电局、云南恒安电力工程有限公司作交流发言,公司办公室(党办、董办)、组织部(机关党办)、宣传部、监察部(纪办)、工会办对相关工作进行了安排。

2.2 几何参数设置

根据输送量相关计算,对几何相关参数进行初步设置:气体入口管道直径D1为0.25 m,颗粒入口管道直径D2为0.2 m,倾斜角α为45°,高度H为0.3 m,水平管道长度L为2 m。

2.3 网格划分

利用Gambit软件对Y型喉管进行网格划分,模型采用四面体非结构化网格,总网格数为580 782。

2.4 边界条件设置

气相入口和颗粒相入口都采用速度入口边界条件,气相空气入口速度为30 m/s,小麦在重力作用下自由下落。出口边界条件为压力出口,出口压力设为86 000 Pa。气相为空气,密度1.184 kg/m3,动力粘度为1.838×10-5Pa.s,气固两相温度均为25 ℃。湍流强度为5%。壁面采用无滑移边界条件,水力直径为0.25 m。

气相连续方程:

3 结果及讨论

为了深入探究吸粮机Y形喉管料气混合阶段的温度变化对两相流场特性和系统压力特性的影响,本研究首先明晰气固两相混合带来的温度变化情况,再分析整个料气混合过程中温度变化对两相运动状态与系统压力特性的影响,最后通过对比有无温度场条件下的仿真结果,找出实际考虑温度条件下的两相流流动特性和压力特性的影响规律,并分析其产生原因。

3.1 温度场分析

温度分布图如图2和图3所示。

  

图2 管道0.6 m处流体温度分布图

 

Fig.2 Flow temperature distribution at 0.6 m pipeline

  

图3 管道1 m处流体温度分布图

 

Fig.3 Flow temperature distribution at 1 m pipeline

其中,图2为管道0.6 m处气固两相的温度分布,两相混合集中发生于管道中上部,所以管道中上部区域能量交换剧烈,温度较高;图3为料气充分混合1 m处温度分布,随着混合的进行,粒子逐渐发展于管道中下部,形成悬浮流,气固两相的能量损失也集中于下部,中下部的气固两相温度较管道上部高。

为了更清楚体现气固两相在整个料气混合阶段的温度变化,将气固两相的温度进行对比分析,如图4所示。

  

轴向距离x/m Axis distance

 

图4 气固两相温度发展对比图

 

Fig.4 Two-phase temperature development comparison chart

粒子温度在料气混合后开始升高,并在1 m处基本达到最大值26 ℃;空气温度在料气接触一段时间后,于0.45 m处温度开始升高,在1 m处基本达到最大值。气相温度升高,不断通过通过管壁与外界进行热交换,所以温度升高后的最大值只有25.5 ℃。由于局部涡旋的存在,改变了两相流场内部热量的传导方向,使得热量聚集,局部温度升高;随着能量不断聚集,又打破了热平衡,热量迅速扩散,温度下降,从而导致温度发生上下脉动。

3.2 颗粒运动分析

图5和图6为有无考虑温度场下颗粒轴向速度分布图,显示了吸粮机Y形喉管内颗粒的运动状态。未考虑温度场的情况下,在料气混合区域,固体颗粒进入Y型喉管内,受到颗粒重力、颗粒惯性力、颗粒之间及颗粒与气体分子之间的黏性摩擦力、曳力等共同作用的影响。而在有温度场中,又因为温度差的存在,出现了热泳力。通过图中2种情况的对比可以发现:不考虑温度场情况下,两相运动规则发展;考虑温度场的情况下,气固两相混合带来的温度变化导致颗粒运动的后期发展会变得杂乱。这也从侧面说明了图4中气相温度局部跳动的原因。

  

图5 考虑温度场颗粒轴向速度分布图

 

Fig.5 Particle axial velocity profile no temperature considered

  

图6 未考虑温度场颗粒轴向速度分布图

 

Fig.6 Particle axial velocity profile Considering the temperature

图7为有无考虑温度场条件下的颗粒轴向速度情况对比图。

  

轴向距离x/m Axis distance

 

图7 颗粒轴向速度对比图

 

Fig.7 Particle axial velocity comparison chart

1.5 组培苗的移栽 组培苗接到生根培养基30~35 d后,待组培苗已长出不定根,用流水冲洗净组培苗根系上的培养基,将其栽入已灭菌的基质中,其上覆盖塑料膜,保持适合其生长的温度、湿度、光照,10 d左右移栽大田,10 d后观察其成活与否。

4)主要考虑颗粒重力和气固曳力,忽略颗粒的Basset力、Magnus力、Saffman力。

The Belt and Road Self-driving Tour Encounters Exotic Food Culture——A Case Study of Turkey and India___________________________WANG Kai 50

3.3 压力场分析

图8和图9为有无考虑温度场条件下的混合管道对称面上的总压分布对比图,从图中可知,在管道前段的纯气相区域,总压基本没有变化;在管道中段的气固混合区域,有无温度场2种条件下的总压下降出现了明显的差别:未考虑温度场的情况下,总压下降慢;考虑温度场的情况下,总压下降明显。

  

图8 未考虑温度场下的对称面上总压分布图

 

Fig.8 Particle axial velocity profile no temperature considered

  

图9 考虑温度场下的对称面上总压分布图

 

Fig.9 Particle axial velocity profile Considering the temperature

为了更清楚地了解考虑温度场条件下吸粮机Y形喉管混合管道内的总压分布特性,将相同条件下不考虑温度场的仿真组进行对照,对比2种仿真中的平均总压分布得到其分布规律并进行分析,如图10所示。

  

轴向距离x/m Axis distance

 

图10 平均总压分布对比图

 

Fig.10 Mean total pressure distribution

从图中可知,考虑温度场情况下的压力损失明显大于不考虑温度场的情况。在轴向距离0.8 m左右的气固混合区,由于气固两相充分混合发展,带来剧烈的能量交换,气相温度升高,导致了气相黏性增大,使得压损迅速变大。在管道后段的平稳加速区域,颗粒从气体中获得一定能量后,运动状态趋于稳定,两者的出口总压接近。不考虑温度场的情况下压损为3500 Pa,考虑温度场情况下的压损为4200 Pa,增大16.6%。

综上所述,气固两相之间的能量损失带来的温度变化是气力输送装置Y形喉管内料气混合过程中的重要组成部分,气相温度升高不断与外界进行热交换,使得温度略微降低,同时一部分能量以温度形式损失,降低了系统运输的总能量,使得颗粒速度降低,气相温度升高,黏性增大,使得压力损失变大。考虑温度场更接近实际情况,有利于实现物料输送的定量准确控制。

4 试验验证

4.1 试验条件与设备

2)流体为不可压缩,定常流动;

《经济学人》中国专栏的报道并非只有讽刺或消极类,也有一些报道对中国的经济状况或现象持肯定态度。2016年6月11日的中国专栏中,其中有一篇报道了关于温州经济的现状。该报道中包含三则概念隐喻——“对抗金融危机是战争”、“银行是人”和“经济发展是旅程”。在“对抗金融危机是战争”概念隐喻中,金融危机对应于敌人,对抗金融危机对应于战争(例14)。在“银行是人”概念隐喻中,银行逐渐从金融危机的阴影中走出来对应于人逐渐恢复健康(例15)。在“经济发展是旅程”概念隐喻中,用于承担风险对应于勇敢面对旅途中的危险(例16)。

  

图11 试验平台实物图

 

Fig.11 Experimental platform

  

图12 试验系统简图

 

Fig.12 Schematic diagram of the experimental system

图12中,1为Y型喉管,2为输料管道,3为除尘器,4为气固分离器,5为多级离心风机。整个气力输送系统为负压吸送式,试验所需负压由多级离心风机提供,通过供料装置、输送管道和分离装置实现物料的输送。对吸粮机Y型喉管内的两相流场进行试验研究,利用小麦进行物料输送,通过对不同轴向距离处温度与压力的测量,得到Y形喉管流场温度变化与压力整体分布趋势。

图13所示AB区间为温度与压力测试区域。为了准确获取Y形喉管内的流体温度变化情况,同时考虑到测量装置的实际安装,只在轴向位置0.8,1.2,2 m三处测量管道内部流体温度;压力测试点设置在轴向位置0,0.8,1.2和2.0 m等四处。

  

图13 Y形喉管温度与压力测点布置图

 

Fig.13 Y-type temperature and pressure measuring point layout

试验中用热敏传感器来测量温度变化情况,用毕托管和U型压力计来测量管道中的压力情况,其在管道上的布置如图14所示,该位置为图10中的B处,其余测点布置与此相同。在实验中,Y形喉管内的流场温度通过温度传感器反应出来,压力通过直接读取U型压力计上的数据获得。

  

图14 热敏传感器和U型压力计布置图

 

Fig.14 Thermal sensor and U-type pressure gauge layout

4.2 试验结果与分析

1)试验时的外界温度为23.8 ℃,进口气速为30m/s,Y型喉管测量点温度变化如图15所示。

函数问题是高中数学一个非常重要的内容,其中函数值域又是一个难点,它可变式为最值问题,也可变式为不等式证明问题,其本身具有一定的综合性。函数值域求解方法灵活多样,可涉及函数与方程的转化、函数与函数的转化、函数与不等式的转化、变量与变量的换元代换、数形结合等多个知识点及思想方法。下面选择具有代表性的一个问题,从多个角度认识和解决,以体现函数值域问题求解的核心思想和方法。

  

轴向距离x/m Axis distance

 

图15 气相温度变化图

 

Fig.15 Variation of gas phase temperature

料气两相在0.8 m处开始全面混合,气相温度升高,在0.8 m到12 m处,随着混合过程的不断发展,实际的温度变化幅度不断增大,2 m处的温度达到最大值25.1 ℃,比外界温度高出1.3 ℃。而仿真结果中最大温度场为0.5 ℃。这是因为在实际工作中,Y型喉管内的气固两相流还受到颗粒碰撞以及气相与壁面摩擦等因素的影响,使得实际温度较高。

(3)禁止电解槽面上用水。过去为了检查相邻电解槽阴阳极是否虚接和保持槽面清洁,用水冲洗阴阳极接触处,会将导电片和导电头上的Cu2+冲进电解槽内。

 

表1 压力测量值

 

Table 1 Pressure measurement Pa

  

轴向距离/mAxisdistance第1次Timesone第2次Timestwo第3次Timesthree平均值Averagevalue0882638826988261882640.8881068810188106881041.2872578725187252872532.086451864528645586452

为进一步明晰Y型喉管内的压力变化趋势,将表1中的数据进行处理并与前文有温度场仿真中的平均总压分布图对比,如图16所示。

  

轴向距离x/m Axis distance

 

图16 平均总压分布对比图

 

Fig.16 Comparison of mean total pressure distribution

从图16中可知Fluent仿真得到的总压分布趋势与试验所得数据十分接近,在管道前端,气相总压基本不变;在轴向距离0.8m开始的混合区,由于气固两相充分混合发展,带来剧烈的能量交换,总压急速下降,压损变化率大;在管道后段,曲线平稳下降,压损变化率相比前一阶段大大降低。但在实际试验中,压损明显大于仿真分析的结果,高11.9%,是由于在实际中,Y形喉管内的气固两相流还受到泄漏、颗粒碰撞以及壁面粗糙度等因素的影响。

综上所述,本研究研究的吸粮机Y形喉管内考虑能量交换导致系统内能量损失影响下的温度变化幅度和两相流压力分布特征与试验所得数据基本一致,一方面直接验证了该数值仿真是可靠的,另一方面从侧面验证了考虑温度场会使得管内流场温度升高和压损增大,影响输送效率这一结论是可信的。

5 结论

本研究利用双欧拉模型,借助Fluent软件对Y型喉管内的气固两相流动在有无温度场条件下进行数值仿真,分析了气固两相混合带来的温度变化对内部两相流动特性和系统压力特性的影响,并进行了试验验证。得到如下结论:

1)气固两相混合带来的剧烈能量交换使得气固两相温度均升高,但由于气相与外界进行热交换,气相温度比固相温度低0.5℃。

2)料气之间的动量交换使得一部分能量以热量形式散失,相应地减少了运输颗粒的能量,小麦粒子水平有效运动速度较不考虑温度场情况降低13.7%。

3)考虑温度场的情况下,随着气固两相混合的进行,气相温度升高,导致了气相黏性增大,使得系统压损增大16.6%,降低了系统的输送效率。

4)模拟结果与试验结果基本一致,证明了仿真模型的正确性,但因为颗粒碰撞以及气相与壁面摩擦等因素的影响,实际温度变化与压损都较模拟结果增大。

参考文献

临时装片b(模拟降酸雨)的黑藻叶片的叶绿体颗粒明显比a(模拟降雨)减少,红墨水染色后装片a、b的细胞核都未着色,细胞是活的。

[1] 杨伦,谢一华.气力输送工程[M].北京:机械工业出版社,2006:140-147.

从年龄上看,上榜新人的平均年龄为47.8岁。年龄最小的新人是今年35岁的科技独角兽柔宇科技的创始人刘自鸿。

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[5] 孙婧元,周业丰,王靖岱.气固密相流化床颗粒温度的流体力学模拟与时间序列分析[J].化工学报,2011,62(12):3330-3336.

[6] 肖益民,柳波,范永超.Y型喉管流场分析及结构优化[J].计算机仿真, 2015, 32(5):270-274.

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柳波,尹高冲,孙凯,柳竞轩
《河北农业大学学报》2018年第02期文献

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