一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，包括如下步骤：（1）求解紊流流场基本特征；（2）求解径向脉动速度的出现频率；（3）求解脉动流体对颗粒的拖曳作用；（4）求解存在于管壁附近颗粒的比例；（5）求解管壁附近颗粒沉积管壁的比例；（6）求解紊流管流中颗粒沉积速率；（7）求解紊流管流中颗粒的穿过比例。本发明专利技术所公开基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，通过分析颗粒群达到管壁的比例来计算颗粒群的沉积速率。基于离散相在紊流流场中的分布规律与响应，计算离散相处于管壁附近流场以及达到管壁的比例，进而计算所有离散相沉积管壁的速率。

A New Analysis Method of Particle Deposition Process in Pipeline Based on Proportional Study

【技术实现步骤摘要】
一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法
本专利技术属于管道内颗粒沉积过程的分析方法领域，特别涉及该领域中的一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法。
技术介绍
紊流管道中颗粒在流体作用下沉积于管壁是一个复杂的过程，涉及到管壁附近流场紊动、颗粒在紊动流体中的响应、以及大规模颗粒群的整体运动等问题。在油气输送、锅炉结垢、烟气净化以及反应堆冷却等诸多工业领域中均涉及该过程。因此，采取一种简单且有效的方法分析紊流管道内离散颗粒的沉积过程，计算离散颗粒的沉积速率与穿过比例，对指导许多工业领域的装备设计、保养维护具有重要意义。现有分析管道内颗粒沉积过程的方法主要有两种。第一种方法基于传统的管道内紊流理论，认为离散颗粒的沉积过程主要是由流体紊动与分子扩散引起的。这些方法通常将近壁流场分为粘性底层、过渡区和紊流核心区。通过分析不同区域之间的颗粒浓度变化来计算管壁上颗粒的沉积速率。此类方法并不从微观尺度上研究颗粒的真实运动，通常认为离散颗粒的扩散率与紊流扩散率呈正比例关系，因此需要引入大量的经验参数，影响了该方法的适用范围与计算精度。第二种方法基于计算流体力学的方法模拟管道内流场，在流场中释放大量离散颗粒并使用拉格朗日方法跟踪颗粒群，通过记录单位时间单位面积上穿过壁面的离散相轨迹的数量来计算颗粒的沉积速率，通过跟踪未到达管壁的离散相的传输过程来计算颗粒的穿过比例。由于详细分析了颗粒沉积过程中的每一个细节，该方法操作较为复杂，一般需要划分网格、迭代运算，在计算过程中需要耗费较大的计算资源，因此并不适用于工程运用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法。本专利技术采用如下技术方案：一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，其改进之处在于，包括如下步骤：(1)求解紊流流场基本特征：紊流管道的雷诺数Re为：式中Vm为管流平均速度，D为管道直径，ρf为流体密度，μf为流体粘性；管道的摩阻系数f为：管流的摩阻流速v*为：(2)求解径向脉动速度的出现频率：设脉动速度v′r的出现频率为：其中e为自然常数；(3)求解脉动流体对颗粒的拖曳作用：颗粒在脉动流体中的运动方程为：式中，CD为拖曳力系数；vf为流体速度，vp为颗粒速度，ρp为颗粒密度，dp为颗粒粒径，Rep为颗粒雷诺数。则颗粒在脉动速度为v′r的流体中，经过时间后，拖曳距离lp为：(4)求解存在于管壁附近颗粒的比例：欲使颗粒在脉动流体的作用下到达管壁，则颗粒距管壁的距离应为拖曳距离lp，则颗粒位于宽度为dlp圆环中的比例η1为：(5)求解管壁附近颗粒沉积管壁的比例：位于以上区域中的离散相在紊动作用下到达管壁的比例η2为：η2＝f(v′r)dv′r(6)求解紊流管流中颗粒沉积速率：设管道中离散相的输沙率为wp，则颗粒沉积速率VD为：式中△z为dlp圆环中离散相撞击管壁的区域：式中z为管长；v′rmin为驱使离散相撞击管壁的最小脉动速度：v′rmax为驱使离散相撞击管壁的最大脉动速度：颗粒沉积速率的另一种表达方式为管壁处离散相的传输系数k，则：(7)求解紊流管流中颗粒的穿过比例：单位长度管道上颗粒的沉积比例q为：则输沙率的变化趋势为：由此可知经过管长为z的离散相通过比例η为：η＝e-qz。本专利技术的有益效果是：本专利技术所公开基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，通过分析颗粒群达到管壁的比例来计算颗粒群的沉积速率。基于离散相在紊流流场中的分布规律与响应，计算离散相处于管壁附近流场以及达到管壁的比例，进而计算所有离散相沉积管壁的速率。此过程将颗粒沉积的微观机理与宏观表现紧密联系起来，可以反映紊流管道中颗粒的沉积机理。此外，分析过程中忽略了对颗粒沉积过程影响不大的流场要素，并且避免跟踪所有离散相的运动规律，可以有效的节省计算资源。附图说明图1a是使用本专利技术实施例1所公开方法所得管壁处颗粒传输系数的预测结果与实验数据的对比图；图1b是使用本专利技术实施例1所公开方法所得颗粒穿过比例的预测结果与实验数据的对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的目的是提供一种基于比例研究的管道内离散颗粒沉积速率与通过比例的新分析方法，该方法通过分析颗粒群到达管壁的比例来计算颗粒群的沉积速率。新方法致力在一定程度上反映紊流管道内颗粒沉积的微观机理，并尽量简化分析与计算流程使其适用于工程应用。为达到以上专利技术目的，先进行如下的理论分析：(1)近似呈现管道内的紊流流场，突出影响颗粒沉积的流场特点。管道内的流场特性直接影响流场中颗粒的运动特性、分布规律。尽可能精确地模拟出管道内紊流流场，是准确分析管道中颗粒沉积的基础。但在紊流状态下，流场的速度、压力等基本属性不断波动，致使管流流场特性极为复杂，精确呈现管流流场的所有细节势必会耗费较高的计算资源。由于颗粒的沉积过程是大量离散相的宏观统计结果，且主要与垂直于管壁方向的径向流体速度有关，因此无需模拟出紊动管流中的所有流场细节，仅关注直接影响颗粒沉积过程的流场特性即可。管道紊流核心区中流体的雷诺方程为：式中，t为时间；z、r和θ分别为管道内轴向、径向和环向坐标；V为流体平均速度；v′为流体的脉动速度；μf和ρf分别为流体的粘性和密度。对于充分发展的紊流管道，径向压力梯度径向与环向的平均速度Vr、Vθ均为零；任意截面上流场特性有着明显的轴对称性与相似性，所以可以忽略体力项fr、微分项与紊流中心区的流场可以看作为各向同性紊流，则对于稳态流场，时间微分项也为零。因此式(2.1)变为：由此可知，径向脉动速度的方差沿径向保持不变。基于现有实验数据，可知：(2)跟踪离散相在脉动流体中的运动，分析颗粒在流体紊动作用下的响应。管道中紊动流体不断朝管壁方向发生脉动，管壁附近的离散相在脉动流体作用下沉积在管壁上。故首先需要求解流场中不同脉动速度的出现频率。由现有理论与实验数据可知，在充分发展的紊流场中，脉动速度服从均值为零的高斯分布。其次需要求解离散相在流场中运动。颗粒在流体中运动的控制方程为：式中，CD为拖曳力系数；vf、vp分别为流体与颗粒的速度；ρf、ρp分别为流体与颗粒的密度；μf为流体粘性；dp为颗粒粒径，Rep为颗粒雷诺数。离散颗粒在管道轴向、径向与环向的运动均满足以上方程。离散颗粒沉积于管壁的过程与其在环向方向的运动无关。在管道径向，流体与颗粒的速度差主要为流体的脉动速度。基于现有紊流理论，可知不同脉动速度的持续时间为：由式(2.4a)，(2.4b)，(2.5)即可求解离散相在脉动流体中的拖曳距离lp。离散颗粒沿管道轴向运动时，由式(2.4a)，(2.4b)可知其运动速度可以无限趋近于轴向流体速度。但当离散相撞击管壁时，其将失去轴向动量。因此需要判断离散相的撞击管壁行为是否会影响其轴向加速过程。离散相在管道紊流中不规则运动，但是否会沉积于管壁仅与其径向坐标有关。可以将颗粒的不规则运动转化为区间长度为管道半径的一维随机游走，即：一端代表管道圆心，离散相将在此处完全反弹；另一端代表管壁，离散相将在此被完全吸收；在区间其他部分离散相以相同概率向两侧运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)求解紊流流场基本特征：紊流管道的雷诺数Re为：

【技术特征摘要】
1.一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)求解紊流流场基本特征：紊流管道的雷诺数Re为：式中Vm为管流平均速度，D为管道直径，ρf为流体密度，μf为流体粘性；管道的摩阻系数f为：管流的摩阻流速v*为：(2)求解径向脉动速度的出现频率：设脉动速度v′r的出现频率为：其中e为自然常数；(3)求解脉动流体对颗粒的拖曳作用：颗粒在脉动流体中的运动方程为：式中，CD为拖曳力系数，vf为流体速度，vp为颗粒速度，ρp为颗粒密度，μf为流体粘性，dp为颗粒粒径，Rep为颗粒雷诺数，则颗粒在脉动速度为v′r的流体中，经过时间后，拖曳距离lp为：(4)求解存在于管壁附近颗粒的比例：欲使颗粒在脉动流体的作用下到达管壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张日，董胜，王智峰，陶山山，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37