畢業(yè)設計論文-水平管內cross流體攜砂數值模擬

本科畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設（論文任務書題目水平管內cross流體攜砂數值模擬學生姓名學號201106090125專業(yè)班級設計（論文）內容及基本要求課題背景與來源:在石油化工、能源動力工業(yè)中，相比于牛頓流體，非牛頓流體具有更強的攜砂能力。在流速較小時，通?？梢院雎粤黧w的黏彈性，而將流體處理成冪律流體或者具有低剪切速率平臺區(qū)（零剪切黏度）的黏性非牛頓流體。研究此類流體在水平管中的攜砂流動，對化工分離、混合以及化學反應、水力輸送等工業(yè)過程具有極為重要的指導作用。本文利用數值模擬技術研究水平管中非牛頓冪律流體、Cross流體中顆粒分布特性，旨在探索冪律流體與cross流體中顆粒在水平管中的分布規(guī)律，為此類流體攜砂流動工程應用提供一定的參考。1．查閱相關文獻資料15篇以上（英文要求至少2篇），掌握非牛頓冪律流體、Cross流體的本構方程，此類流體在化工過程機械專業(yè)的應用背景。撰寫開題報告一篇。2.完成非牛頓冪律流體、Cross流體在水平管中攜砂兩相流動規(guī)律，分析流速、砂比對管內砂粒濃度分布以及流動壓降的影響。主要研究內容有：（1）牛頓流體和非牛頓流體中，水平管中兩相流動理論分析和文獻綜述；（2）水平管中液固兩相流動模型建立以及網格劃分（模型優(yōu)化、網格無關性驗證）；（3）冪律指數對顆粒和有效粘度在水平管內分布規(guī)律的影響；（4）Cross流體零剪切黏度對顆粒和粘度在水平管內分布規(guī)律的影響；（5）流速和砂含量對顆粒分布規(guī)律及壓降的影響。3.繪制化工機械類設備圖紙一張（A0）。4.翻譯外文資料一篇，不少于15000個字符5.編寫設計說明計算書一份，打印成冊。設計（論文）起止時間2015年1月12日至2015年6月14日設計（論文）地點指導教師簽名年月日系（教研室）主任簽名年月日學生簽名年月日水平管中cross流體攜砂數值模擬摘要：在能源、石油化工等工程領域，水煤漿管道輸送、鍋爐水力除渣、頁巖氣井水力壓裂等工業(yè)過程都是典型的固液兩相流。相對于牛頓流體，非牛頓流體往往具有更強的固體顆粒輸送能力。但是對于非牛頓流體攜砂管道流動機理的研究尚存在很多不足。論文以水平井水力壓裂工況為工程背景，應用CFD多相流理論，基于Fluent軟件，首先對牛頓流體、冪律流體以及Cross流體在水平管道中的流動特性進行了分析，在相同的流速下，Cross流體的流動壓降更小，主要是因為其速度分布在靠近管道中心部分更加接近于“柱塞流”。其次，利用混合Granular模型，分析了三種流體的攜砂性能。分析了陶粒固相顆粒在三種流體中的分布規(guī)律，得到了在相同的入口流速下，Cross流體相對于牛頓和冪律流體的攜砂壓降更小，陶粒在管道截面的分布更加均勻。最后，對Cross流體攜砂流動進行了參數敏感性分析。Cross流體參數中，零剪切粘度越大、冪律指數越大、松弛時間越小，攜砂能力越好。關鍵詞：多相流；數值模擬；Cross流體；攜砂能力NumericalinvestigationsofCross-sandsslurryflowinhorizontalpipelineAbstract:Liquid-solidtwophaseflowiscommoninmanyengineeringfieldssuchasenergy,petrochemical,coalslurrypipelines,waterboilerslag,shalegaswellhydraulicfracturingandotherindustrialprocessesaretypicalphaseflow.Non-NewtonianfluidshavestrongersolidparticletransportcapabilitiescomparedwithNewtonianfluid.However,forthenon-Newtonianfluidflowmechanismcarryingsandpipeline,therearestillalongwaytogo.Inhorizontalwellsfracturingconditions,usingtheCFDmultiphaseflowtheory,firstly,Newtonianfluid,powerlawfluidandfluidflowthatbecharacteristicsofCrossmodelinhorizontalpipeareanalyzedusingFluentsoftware.Atthesameflowrate,Crossfluidflowpressuredropsaresmaller,mainlybecauseitsvelocitydistributionnearthecentralportionofthepipelinecloserto"plugflow".Secondly,usingmixingGranularmodeltoanalyzetheperformanceandthedistributionofceramicsolidparticlesinthefluidofthreekindsofsand-carryingfluid,reachedtheoutcomethatatthesameinletvelocity,Crossfluid’spowerratioisrelatedtotheNewtonianfluidandsandcarryingasmallerdrop,ceramicdistributedmoreinthepipelinesectionuniform.Finally,analysingthesensitivityoftheparameterofsand-carryingfluidflowsCross.InCrossfluidparameters,thebiggerthezeroshearviscosity,thebiggerofthelawindex,thesmallertherelaxationtimeandthebetterthecarryingcapacity.Keywords:Multiphaseflow;Numericalanalysis;Theabilityofsandcarrying③Cross方程方程形式為： （3-2）公式中有四個參數η0，η∞，K，m。由上式可知，當γ→0，有η→η0，即零剪切粘度。當γ→∞，有η→η∞，即無窮剪切粘度。雖然Carreau方程和Cross方程比冪律方程更全面的描述了粘性變化規(guī)律，但由于參數較多，應用不如冪律方程普遍；而且三者都是經驗方程，物理意義不明確。本論文主要就冪律方程和Cross方程進行比較，并選擇攜砂性較好的Cross方程進行攜砂的模擬，研究分析流體攜砂的性質。牛頓流體與冪律流體在Fluent軟件中的本構方程與經驗方程都是一致的，所以只需要給出相應的擬合過的數據即可，但對于Cross流體，軟件中的本構方程與經驗方程是不同的，經驗方程為式（3-2），而軟件中的本構方程為式（3-3），其中，η0均為零剪切粘度，n為冪律指數，且n=1-m。 （3-3）圖3-1冪律流體、Cross流體與實驗值的擬合結果圖3-2冪律流體與實驗值數據擬合對于1.4wt%OTAC+0.35NaSal流體，用冪律流體、Cross流體與實驗值進行擬合，擬合效果效果如圖3-1。采用冪律流體本構方程擬合，如圖3-2，得k=1.1587pa·s^n，n-1=-0.685即n=0.315，其中擬合度R2=0.99；采用Cross流體本構方程擬合得：η0=2.558pa·s，λ=0.9899s，n=-0.1989；牛頓流體則取μ=2.558pa·s。3.2單相液體的模擬結果與分析在上一節(jié)中，對牛頓流體、冪律流體以及Cross流體進行了介紹，在本節(jié)中以1.4wt%OTAC+0.35NaSal流變數據作為基礎數據，采用牛頓流體（只考慮零剪切粘度）、冪率（只考慮剪切稀化區(qū)）、Cross（綜合零剪切粘度與剪切稀化區(qū)）三種不同本構方程，研究流體流速分布、壓差隨平均入口速度的變化規(guī)律，通過比較獲得一種攜砂性較好的流體。三種流體壓差隨平均入口速度變化的比較結果如圖3-3。在入口速度分別為10m/s，36m/s和63m/s時的流速分布比較結果如圖3-4所示，圖（a）的入口速度10m/s，圖（b）入口速度為36m/s，圖（c）入口速度為63m/s。圖3-3中比較結果表明，在平均入口速度相同的情況下，牛頓流體的壓差變化最大，冪律流體次之，Cross流體最小，但三種流體壓差線的斜率基本一致，這說明了三種流體的壓差隨入口平均速度改變的變化程度是相同的。在圖3-4三幅速度分布圖中，沿管道圓形截面徑向方向，流體速度均呈對稱分布。其中，牛頓流體因只考慮零剪切粘度，壁面處的剪切粘度不能夠充分的表現，故其速度分布為標準的拋物線，流動最大速度集中在管道中心附近的較小區(qū)域；冪律流體則因只考慮剪切稀化區(qū)，考慮了壁面處的剪切粘度，故壁面處速度會突然變大，遠離壁面后速度增長速度有所減緩；Cross流體綜合考慮了零剪切粘度以及剪切稀化區(qū)，因此，在臨近壁面處流體速度也是突然變大，但遠離壁面后速度的增長較冪律流體更加的緩慢，整個速度分布表現為柱塞流。圖3-3三種流體的壓差隨入口速度變化圖（a） （b）（c）圖3-4三種流體在入口平均速度為10m/s、36m/s和63m/s時的速度分布圖（a）v=10m/s（b）v=36m/s（c）v=63m/s在圖3-4中，從圖（a）到圖（c），隨著入口平均速度的增大，牛頓流體的壁面處速度并沒有隨著速度的增大而增大，仍然不能表現出壁面處的剪切粘度，但隨著速度的增大，流體最大速度在管道中所占區(qū)域逐漸增大，即拋物線頂端的扁平區(qū)域；冪律流體隨著平均入口速度的增大，更加清晰的展現了冪律流體在壁面邊界處速度的變化，但速度在離開壁面后仍然是增長較快，并沒有隨著平均入口速度的增大而改變，與牛頓流體相同的是流體最大速度在管道中所占區(qū)域也隨著速度的增大而增多；Cross流體隨著入口平均速度的增大，整體呈現一個明顯的柱塞流，邊界處的速度增長比冪律流體還要劇烈，但離開邊界處后，速度在緩慢增長后保持穩(wěn)定。3.3小結通過本章對單相液體流動的比較分析后發(fā)現，在相同的流速下，Cross流體表現出的流體剪切粘度比牛頓流體和冪律流體更加全面，更加適合用來進行流體攜砂模擬，并且在整個的流體速度分布圖中，Cross流體的流動速度分布更加穩(wěn)定。因此，在第五章中選擇Cross流體作為攜砂模擬的基礎流體，在其中加入陶粒進行Cross參數敏感分析，不過為了說明三種流體攜砂后的不同，在第四章中對三種流體同時進行攜砂，并對模擬結果中的壓差和速度分布進行比較，同時也是對本章比較分析結果的一種驗證。4水平管道攜砂液固兩相流動模擬由第三章的分析結果可知，在速度相同的牛頓流體、冪律流體和Cross流體中，Cross流體的流動壓降更小，主要是因為其速度分布在靠近管道中心部分更加接近于“柱塞流”。在本章中，利用混合Granular模型對三種流體的攜砂性能進行分析。4.1數學模型計算流體力學的進展為深入了解多相流動提供了基礎。目前有兩種數值計算的方法處理多相流：歐拉—拉格朗日方法和歐拉—歐拉方法，其中拉格朗日方法著眼于個別粒子的運動，而歐拉方法著眼于各時間全體流動的狀態(tài)，在本論文中歐拉方法更加適合。在Fluent中共有三種歐拉—歐拉多相流模型，分別為：流體體積模型（VOF）、混合物模型（Mixturemodel）以及歐拉模型（Eulermodel）。各種模型的特點如表一所示，因此本論文中選擇MixtureModel（Granular）模型。表一各種歐拉模型的特點VOFModelFluentEuler型多相流模型中較簡單的模型（不能模擬粒子運動）；相間的分子擴散可以忽略時，能得到較好的結果；可以計算液滴與氣泡的分裂和合成；最小液滴與氣泡受網格大小限制；MixtureModelFluentEuler型多相流中較簡單的模型；受Stokes數大小的限制；MixtureModel（Granular）計算負荷比EulerGranular模型要?。籈ulerModel多相流模型中適用范圍最廣；不受Stokes數大小的限制，有時可用Mixturemodel替代；計算費用較大；EulerGranularModel可以考慮粒子的堆積和摩擦；計算費用最大；混合物模型又叫單流體模型，這種模型假定相互作用著的兩相或兩組分構成了一種新的介質，且連續(xù)充滿整個流場，并認為單相連續(xù)介質力學的概念與方法對該假想的流體仍然適用?；旌衔锬Ｐ偷膬?yōu)點是模型相對簡單,理論上需要的結構關系少,可以最大限度地應用較為成熟的處理單相流的數值解法和程序來處理兩相流,計算上省時間,經濟性好,主要適用于固體顆粒較?。ㄈ琊ね?、粉塵）與液相混合較均勻、固液兩相的流速差不大的情況?；旌夏Ｐ屯ㄟ^求解混合相的動量方程和連續(xù)方程、次要相的體積分數方程以及相對速度（滑移速度）的代數表達式來模擬兩相流。混合模型中混合物的連續(xù)性方程 （4-1）混合物的動量方程可表示為（4-2）其中n為相的個數，F為表面力，為固體的體積分數，為混合物密度，為混合物粘度，表示為和 （4-3）和分別為質量平均速度和漂移速度，表示為和 （4-4）滑移速度的定義為次要相（p）相對于主要相（q）的速度：（4-5）漂移速度和滑移速度的關系如下： （4-6）在混合模型中的基本假設是，規(guī)定相對速度的代數關系，相之間應達到在足夠短的空間中保持局部平衡?；扑俣鹊男问剑? （4-7）其中：次要相的體積分數方程： （4-8）混合模型應用于層流和湍流兩相流。在實際中，由于攜砂流動發(fā)生在充分發(fā)展的湍流中，RNGK–?湍流模型在本文中和混合模型一起使用。RNGK–?湍流模型的湍流動力能為：（4-9）湍流動能耗散率：（4-10）其中系數和分別是普朗特數k和?的逆效應。在高雷諾數的限制下，。和分別等于1.42和1.68。和是熱膨脹系數和能量的湍流普朗特數。S是平均應變張量系數。定義為：和 （4-11）方程（4-10）中的R為： （4-12）其中，，，。4.2邊界條件設置邊界條件和初始條件一起并稱為定解條件，只有在邊界條件和初始條件確定后，流暢的解才存在，并且是唯一的。（1）邊界條件：邊界條件就是流場變量在計算邊界上應該滿足的數學物理條件。無滑移邊界條件施加在墻壁上，其傳熱不在整個計算域考慮。在本文中，在靠近墻壁區(qū)域，由launder和Spalding提出的標準壁面函數因為其廣泛的應用在工業(yè)流而被選擇。在壁相鄰的細胞當網格Y*≤11.225時，粘性力在底層占主導地位。層流應力應變關系可以應用: （4-13） （4-14）當時，對于平均速度的對數定律是有效的。公式為： （4-15）式中k是馮卡門常數，是湍流模型常數，和分別是P點的湍流動能和從點P到墻間的距離。為簡化計算，本文中固液兩相漸入管道的入口設為速度入口（VelocityInlet）,管線的出口設為壓力出口（PressureOutlet）：，和，管線管壁設為固體壁面。（2）壓力的設定Fluent計算中，首先要設定的是操作壓力OperatingPressure。本論文計算過程中設操作壓力為大氣壓。（3）初始條件在裝置入口處砂粒的體積百分比設定為3%（后期進行砂含量對壓差的影響時設定范圍為3%-12%），砂粒均勻分布在入口截面上，并與流體具有相同的入口速度。4.3流速對顆粒在管內分布規(guī)律及壓差的影響本文以一個典型的水平管路兩相流湍流輸送系統(tǒng)為研究對象，具體數據如下：管道直徑D=0.04m，管長L=4m，管內平均顆粒直徑dp為6.37*10-4m，陶粒的密度為1800kg/m3，入口處陶粒的體積分數αk的范圍為3%-12%，即砂比的范圍為5%-20%，入口處平均速度為0.5-27m/s。牛頓流體、冪律流體和Cross流體的參數取定為第三章中與實驗擬合過的數據，具體如下：牛頓流體動力黏度為μ=2.558pa·s，密度為1000kg/m3。冪律流體k=1.1587pa·s^n，n-1=-0.685即n=0.315。Cross流體零剪切粘度η0=2.558pa·s，松弛時間λ=0.9899s，冪律指數n=-0.1989。圖4-1三種流體攜砂后壓降隨流速變化比較圖本章中主要研究的是流速、砂含量對顆粒相在水平管內分布規(guī)律及壓降的影響，在本節(jié)中，取陶粒在入口截面處的平均體積分數αk為3%，計算分析了入口平均速度對顆粒相的影響，模擬結果如圖，其中圖4-1是三種攜砂流體的壓降隨流速變化的比較，此時考慮到壓差的測量精度，從本節(jié)開始，觀測面重新設定為距離管道入口2m處（L=2m）和距離出口0.5m處（L=3.5m）的截面；圖4-2是三種攜砂流體的顆粒相分布規(guī)律隨流速的變化圖，（a）圖為牛頓流體中顆粒相分布變化，（b）圖為冪律流體中顆粒相分布變化，（c）圖為Cross流體中顆粒相分布變化；圖4-3是三種流體在入口速度為4m/s時的等值線圖；圖4-4是三種流體在入口平均速度相同時，流體中顆粒相在水平管內的分布規(guī)律比較，（a）圖入口速度為4m/s，（b）圖速度為10m/s。在圖4-1中，顯示了三種攜砂流體的壓差隨入口平均速度變化的折線圖。圖中，入口平均速度從0.5m/s增加到27m/s，即流量從0.04m3/min增加到2m3/min，牛頓流體的壓差明顯的高于冪律流體和Cross流體，不利于攜砂；冪律流體的壓差在低速度時明顯高過Cross流體，速度增大后兩者之間的差距大幅度減小，說明在低速度時冪律流體攜砂性能沒有Cross流體好，但在高流速時倆者的攜砂性能基本相同。（a）（b）（c）圖4-2牛頓流體、冪律流體和Cross流體攜砂后顆粒相在水平管道中隨流速變化的分布情況（a）牛頓流體（b）冪律流體（c）Cross流體在圖4-2中，（a）圖為在不同流速時牛頓流體攜砂后顆粒相在管道中的濃度分布圖，從中可以看出，隨著速度的增大，管道頂部附近的顆粒相濃度在逐漸增加，底部的顆粒濃度在逐漸減少；從管壁附近到管路中心時，顆粒相呈均勻分布。（b）圖是在不同流速時冪律流體攜砂后顆粒相在管道中的濃度分布圖，（c）圖為Cross流體攜砂后不同流速下的顆粒相濃度分布圖。與牛頓流體相同的是，隨著流速的增大，冪律流體和Cross流體管道頂部附近的顆粒相濃度逐漸增大，管道底部的顆粒相濃度在減少。不同的是，冪律流體和Cross流體在管道頂部附近部分區(qū)域顆粒相的體積分數會超過陶粒在入口截面處的平均體積分數αk（3%），而牛頓流體則不會超過這個數值；同樣的，在管道底部也存在這樣的現象。而且這種現象在速度越低時表現得越加明顯，這種現象的存在對于攜砂流體在管道底部順利帶走砂粒有良好的促進作用。（a）（b）（c）圖4-3在速度相同時流體攜砂后觀測面處顆粒相的體積分布等值線圖（a）Cross流體（b）冪律流體（c）牛頓流體圖4-3中，在（a）圖中可以觀察到Cross流體在管道底部時存在一個較大的區(qū)域，這個區(qū)域內的顆粒相濃度明顯的低于圖（b）的冪律流體和圖（c）牛頓流體的相同區(qū)域；在管道頂部處也是如此，部分區(qū)域內的顆粒相濃度高于冪律流體和牛頓流體。圖（b）中的冪律流體在管道底部陶粒的濃度逐漸增加，而圖（c）中，牛頓流體管道底部陶粒的濃度基本一致。圖4-4中，（a）圖和（b）圖分別是流速為4m/s和10m/s時三種攜砂流體的顆粒相體積分數的比較圖。從該圖中可以明顯的觀察圖4-3陶粒濃度分布等值線圖中展現的規(guī)律，并用比較的方法清晰的描繪出了陶粒在三種流體中的分布情況。比較圖（a）和圖（b）發(fā)現，在（a）圖三種流體中陶粒濃度分布的差異最大，即流速越低時三種流體攜砂性能差距更加明顯。（a）（b）圖4-4速度相同時牛頓流體、冪律流體和Cross流體攜砂后觀測面處的體積分布比較圖（a）v=4m/s（b）v=10m/s本節(jié)的研究結果表明，Cross流體在管道底部和頂部各存在一個區(qū)域，在底部附近的區(qū)域內，顆粒相的體積濃度小于管道中心區(qū)域，在管道頂部的區(qū)域內，區(qū)域內的顆粒相濃度高于管道中心區(qū)域。這兩個區(qū)域的存在，使得Cross流體可以在與牛頓流體和冪律流體相同的條件下帶走更多的砂粒，充分的展現了Cross流體更強的攜砂能力。而且在流速越低時，這種能力越強。4.4砂含量對顆粒在管內分布規(guī)律及壓差的影響在本節(jié)中，主要進行研究砂含量對顆粒相在水平管內分布規(guī)律及壓差的影響。上節(jié)中研究結果發(fā)現低流速時Cross流體的攜砂性能更好，更加易于觀察，因此在本次模擬中，取攜砂流體為Cross流體，入口平均流速為4m/s，然后改變陶粒在管道入口的體積分數分別為3%、6%、9%和12%，并測得相應的壓差以及觀測面處的顆粒相分布。壓差變化如圖4-5，顆粒分布隨砂含量的變化如圖4-6。圖4-5Cross攜砂流體的壓差隨砂含量的變化在圖4-5中，Cross流體的壓差隨著陶粒體積分數的增大而增大，壓差越大說明流體在管道流動中受到阻力越大；阻力越大便意味著管道中的粘度越大；粘度越大時，流體攜砂能力越好，在流動過程中便能帶走更多的顆粒。因此，在一定的范圍內，陶粒在入口處的體積分數越大，Cross流體的攜砂能力越好。圖4-6Cross攜砂流體的顆粒相濃度分布隨砂含量的變化圖4-6中顯示了在陶粒體積分數為3%、6%、9%和12%時的顆粒相分布情況?？梢园l(fā)現，隨著陶粒體積分數的增大，在管道底部Cross流體的顆粒相濃度減小區(qū)域越加靠近管道底部。這說明隨著砂含量的增加，Cross攜砂流體的攜砂能力更加良好，又由上一節(jié)的分析中得知，在流速越低時，流體的攜砂能力更好，因此在第五章的Cross流體參數敏感性分析中，應該取砂含量數值較高、流速較低的流體進行分析。5Cross流體攜砂參數敏感性分析由第四章的分析可知，Cross流體相比于同零剪切黏度的牛頓流體和冪率流體，其攜砂能力最大。Cross流體本構方程中，零剪切黏度和流體松弛時間、冪律指數對其流變曲線都有著重要的影響。本章固定平均入口流速為4m/s，砂含量為12%，主要分析Cross流體本構方程中參數的改變對流體攜砂能力的影響，以對實際流體參數的設計提供依據。5.1Cross流體零剪切粘度Cross流體本構方程中對流體攜砂能力有影響的參數主要有零剪切粘度、冪律指數和松弛時間。在本節(jié)中，通過對觀測面處的顆粒相濃度分布的比較，主要分析Cross流體本構方程參數中零剪切粘度η0對流體攜砂能力影響，具體的模擬分析結果如圖。圖5-1Cross流體顆粒相濃度隨零剪切粘度的改變（a）（b）（c）圖5-2陶粒在管道中分布的等值線圖（a）η0=2.558pa·s（b）η0=5.2pa·s（c）η0=10.2pa·s圖5-1是在不同零剪切粘度下各流體中陶粒體積分數在管道徑向方向變化的比較圖，觀察發(fā)現在零剪切粘度越大時，管道頂部的陶粒體積分數越大；在管道中央部分，零剪切粘度對陶粒的分布基本沒有影響；在管道底部靠近壁面處，陶粒的體積分數先減小后急劇增大。圖5-2是各零剪切粘度不同時陶粒在管道中的濃度分布等值線圖。比較三幅圖可以發(fā)現，陶粒的分布在水平方向上對稱，而在垂直方向上由于重力和陶粒密度的影響不是對稱的；隨著零剪切粘度η0的增大，管道頂部陶粒的濃度在逐漸增大，管道的中心區(qū)域面積也在增加，管道底部陶粒的體積分數隨著零剪切粘度的增加而減小。管道中流體的攜砂能力良好時，管道頂部會含有較多的顆粒相，管道中心區(qū)域也會越大，而底部的顆粒相則越少越好。因此，零剪切粘度越大，越有利于Cross流體攜砂。在二十世紀初，愛因斯坦開創(chuàng)了對兩相體系懸浮液粘度的研究。在一般的兩相體系懸浮液中，其相對粘度總是隨分數顆粒濃度的增大而增大。在稀溶液中，常常忽略分散顆粒間的相互作用，把溶液的粘度看作是各個分散顆粒對整個流體力學剪切場貢獻的總和。在此基礎上，對非均相流體的粘度，愛因斯坦根據流體力學的基本理論，推得的相對粘度理論公式可以簡單表示為： （5-1）式中η為懸浮液的粘度；η0為連續(xù)相液體即純溶劑的粘度；?為懸浮液中分散相的體積分數；ηd為分散相的粘度。因此，在管道流動的粘度分布中，粘度越大時表明顆粒的體積分數越大。如圖5-3是在不同Cross流體零剪切粘度下管道流動中的粘度分布比較圖，分析此圖便可以得知Cross流體攜砂能力隨零剪切粘度變化的規(guī)律。從圖中發(fā)現，管道頂部的粘度明顯最低，說明管道頂部存在最少的顆粒相，所受阻力最??；在管道中心部位時，可以很清晰的比較在零剪切粘度不同時管道流動中有效粘度的分布情況，在零剪切粘度為10.2Pa·s時，管道中心的有效粘度最大，受到的阻力也就最大，因此，管道中心攜帶的陶粒最多，在管道底部時便會存在較少的陶粒。說明零剪切粘度越大時，Cross流體的攜砂性能越好。圖5-3不同零剪切粘度下的有效粘度分布比較圖5.2Cross流體冪律指數本章前兩節(jié)中對Cross流體本構方程參數中的零剪切粘度和松弛時間進行了分析，并得知：零剪切粘度越大，松弛時間越小，Cross流體攜砂性能越好。在本節(jié)中對Cross流體中最后一個參數冪律指數的影響進行模擬分析，流體中陶粒體積分數隨冪律指數在管道徑向方向的變化比較圖如圖5-4，陶粒在管道觀測面的分布等值線圖如圖5-5，圖5-6是不同冪律指數下管道流動中流動速度分布規(guī)律圖。圖5-4Cross流體顆粒相濃度隨冪律指數的改變（a）（b）（c）圖5-5陶粒在管道中分布的等值線圖（a）n=-0.199（b）n=-0.52（c）n=-0.825圖5-4是圖5-5中三幅圖的數值化比較結果，從中可以看出，在冪律指數越大時管道頂部的陶粒體積分數越大，管道中心區(qū)域面積越大，底部區(qū)域陶粒的體積分數也越小。圖5-6不同冪律指數下管道流動的有效粘度分布比較圖在圖5-6中，攜砂流體在管道中流動的有效粘度分布在垂直方向不是對稱的，在管道底部的粘度明顯高于管道頂部，因此在管道底部存在大量陶粒，增加了管道底部的粘度。從圖中發(fā)現，隨著冪律指數的增大，管道的有效粘度會增大。粘度越大時Cross流體的攜砂效果會更好，因此，隨著冪律指數的增大，Cross流體的攜砂能力會增強。5.3Cross流體松弛時間在上一節(jié)中對Cross流體參數中零剪切粘度進行了計算分析，發(fā)現零剪切粘度越大，流體的攜砂能力越好。在本節(jié)中松弛時間進行模擬分析，流體中陶粒體積分數隨松弛時間在管道徑向的變化比較圖如圖5-7，陶粒在管道分布中的等值線圖如圖5-8。圖5-7與圖5-8分別從顆粒相分布比較圖和分布等值線圖兩個方面描述了Cross流體攜砂性能隨松弛時間的變化情況。隨著松弛時間從0.1s變化到4s，明顯的觀察到在松弛時間為0.1s時，整個管道的中心區(qū)域面積最大，且在管道頂部顆粒的濃度最大，底部附近的陶粒相體積分數最小。因此隨著Cross流體松弛時間的減小，Cross流體的攜砂能力在增大。圖5-7Cross流體顆粒相濃度隨松弛時間的改變（a）（b）（c）圖5-8陶粒在管道中分布的等值線圖（a）λ=0.9899s（b）λ=0.1s（c）λ=0.4s圖5-9不同松弛時間下的有效粘度分布比較圖圖5-9顯示了不同松弛時間下管道流動中的有效粘度分布情況，從圖中可以看出，管道頂部的粘度最低，說明管道頂部存在最少的顆粒相，所受阻力最??；在管道中心部位時，可以很清晰的比較出在松弛時間不同時管道流動中有效粘度的分布情況，在松弛時間為0.1s時，管道中心的有效粘度最大，受到的阻力也就最大，因此，松弛時間越小時在管道中心攜帶的陶粒越多，在管道底部時便會存在越少的陶粒。因此，Cross流體本構方程參數中松弛時間越小，流體的攜砂能力越好。6結論本論文應用CFD基本理論，通過對固液兩相流流動過程的合理分析，不但對牛頓流體、冪律流體和Cross流體的攜砂性能進行比較，還考慮了流速、砂含量以及Cross流體本構方程中參數對流體攜砂性能的影響。主要結論如下：（1）在本次固液兩相流湍流流動研究過程中，在相同的入口流體速度下，Cross流體的攜砂能力最強，冪律流體次之，牛頓流體攜砂能力最差。（2）在Cross流體其他參數的設置相同時，紊流狀態(tài)下平均入口速度越小，Cross流體的攜砂能力越好；Cross流體的臨界攜砂速度小。（3）在Cross流體其他參數的設置相同時，紊流狀態(tài)下陶粒在入口處的體積分數越大，Cross流體的攜砂效果越好。（4）在流速和砂含量相同，只改變Cross本構方程中一特定參數值時。零剪切粘度越大，冪律指數越大，松弛時間越小時，Cross流體攜砂能力越好。參考文獻[1]張宏兵，陳露露，謝榮華，劉興斌，鄭?？?，尚作萍.水平圓管固液兩相穩(wěn)態(tài)流動特性數值模擬[J].化工學報，2009，60（05）：1162-1168.[2]李飛，李永業(yè)，孫西歡.管道水力輸送研究進展及工業(yè)應用[J].山西水利，2008（02）：46-48.[3]李璐.管道輸煤概況及其環(huán)境效益[J].科技創(chuàng)新與應用，2013（27）：145-146.[4]白曉寧，胡壽根.漿體管道的阻力特性及其影響因素分析[J].流體機械，2000，28（11）：26-29.[5]趙麗娟,倪福生.管道固—液兩相流研究的意義、內容和方法[J].管道技術與設備，2003（01）：3-6.[6]顧伯康.對我國管道輸煤問題的探討[J].煤炭科學技術，1995，23（01）：55-58.[7]HouShuandi(候栓弟).ExperimentResearchandNumericalSimulationof3DFlowFieldinAgitatingTank[D].Beijing:BeijingUniversityofChemicalTechnology,1997（1）.[8]張政,謝灼利.流體—固體兩相流的數值模擬[J].化工學報,2001，52（01）:1-11.[9]傅旭東,王光謙.低濃度固液兩相流理論分析與管流數值模擬[J].中國科學，E輯,2001,31（6）:556-565.[10]夏建新，倪晉仁.水沙流中顆粒脈動特性[J].水利學報，2003（7）:7-13.[11]楊燁，李定凱等.k-?-Ap兩相湍流模型用于模擬懸浮床兩相流動[J].熱力發(fā)電，2003（2)：16-19.[12]劉誠，沈永明，唐軍.水平方管固液兩相流運動特性數值模擬[J].水利學報，2007，38（7）：767-772