管道减压实验与表面活性剂流体流动特性数值模拟研究

发布时间：2017-04-15 16:11

  本文关键词：管道减压实验与表面活性剂流体流动特性数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：城市供热供冷管道及长距离输送管道中添加表面活性剂可以降低管道内的湍流阻力,从而降低系统泵的能耗,增加系统输送效率。目前,对于表面活性剂减阻流体的研究多集中于直管流动,对于供热系统中常见的弯管流动的研究比较匮乏。本文对表面活性剂流体在供热系统中流动特性进行数值模拟研究。中低浓度的表面活性剂溶液具有剪切稀化的特性,因此采用Carreau-Bird模型对四种不同浓度表面活性剂溶液的剪切黏度随剪切速率的变化规律曲线进行数值拟合,四种浓度表面活性剂溶液的拟合度分别为0.9428,0.9626,0.9958,0.9945,拟合度较高,说明采用Carreau-Bird模型对表面活性剂流体进行数值模拟具有可行性。供热管网中运行压力调度不当会造成管网运行压力高低起伏变化,管网压力过高不仅造成水资源与电能的浪费,甚至会造成管网的漏损。对于直连供暖系统中高层的高压回水也需要进行减压过渡为低压流体。减压装置可以通过调节栅栏开度降低管道压力。运用模型实验减压装置的减压效率进行计算。实验结果表明:管道流量不变的情况下,减压装置的减压效率随着栅栏结构开度的增加而增加,在30°开度即内外侧栅栏中心对称的情况下达到最大值。减压装置开度不变的情况下,其减压效率随着流体雷诺数的增加而降低。运用FLUENT数值计算软件对水和不同浓度表面活性剂流体经过减压装置以及供热管道中的自然补偿器与方形补偿器等弯管组合进行数值模拟计算。结果显示,表面活性剂流体流经减压装置时降低了管道截面突变处的湍动能强度,并且对减压装置的减压效果产生了7.47%~16.95%的抑制率,其抑制率随着表面活性剂浓度的增加先增加后减少;表面活性剂流体经过减压装置后端面后的速度恢复区长度比水要缩短10.67%~16.52%,充分说明表面活性剂流体能够增强管道输运能力。表面活性剂流体经过补偿器弯管段时减小了横向二次流动以及涡旋强度,降低了能量损失。数值模拟结果表明,表面活性剂溶液的局部损失减少系数随着其浓度的增加而先增加后减少,证明表面活性剂存在最佳的减阻浓度。表面活性剂流体流经Z型补偿器时的局部损失影响系数处于0.79~0.81之间,流经三种方形型补偿器时的局部损失影响系数处于0.62~0.68之间,表面活性剂流体的局部损失影响系数比水略大。流体进入方形补偿器第三弯管段时其管道内高速流核区覆盖面积会随着过渡直管段长度的增加而增加,并且向管道上方偏移;表面活性剂流体改变了管道内的速度场分布,增加了管道内高速流核区的覆盖面积。
【关键词】：减压装置 表面活性剂流体 数值模拟 剪切稀化模型 补偿器 局部损失影响系数
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU995;TV134
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 减阻流体研究12-14
• 1.2.2 管道压力调节研究14
• 1.2.3 管道流体数值模拟研究14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 第二章 表面活性剂减阻机理与影响因素16-23
• 2.1 非牛顿流体类型16-17
• 2.2 非牛顿流体模型17-18
• 2.2.1 宾汉(Bingham)模型17
• 2.2.2 幂律模型17-18
• 2.2.3 Cross模型18
• 2.2.4 Carreau-Bird模型18
• 2.3 表面活性剂减阻机理18-20
• 2.4 表面活性剂减阻影响因素20-22
• 2.4.1 表面活性剂分子结构20
• 2.4.2 表面活性剂浓度20
• 2.4.3 温度20-21
• 2.4.4 补偿离子21
• 2.4.5 溶液中的金属离子21
• 2.4.6 管道直径21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第三章 供热系统中的减压装置实验23-32
• 3.1 引言23
• 3.2 减压装置模型23-25
• 3.3 实验系统25-26
• 3.4 实验方案26-27
• 3.4.1 栅栏结构开度变化26
• 3.4.2 流体雷诺数变化26-27
• 3.4.3 实验流程27
• 3.5 实验结果与分析27-31
• 3.5.1 减压原理27-29
• 3.5.2 不同开度及雷诺数对减压效率的影响29-31
• 3.6 本章小结31-32
• 第四章 表面活性剂流体数值模拟32-70
• 4.1 湍流模型与数值计算方法32-41
• 4.1.1 基本控制方程32
• 4.1.2 湍流模型32-34
• 4.1.3 雷诺平均模拟(RANS)34-36
• 4.1.4 CFD数值解法36-38
• 4.1.5 SIMPLIE算法38-41
• 4.2 减压装置数值模拟41-51
• 4.2.1 计算模型与网格划分41-42
• 4.2.2 湍流模型与边界条件42
• 4.2.3 数值模拟与模型实验对比42-43
• 4.2.4 表面活性剂流体黏度模型43-51
• 4.3 自然补偿器数值模拟51-63
• 4.3.1 物理模型51-53
• 4.3.2 湍流模型与边界条件53
• 4.3.3 数值模拟结果与分析53-63
• 4.4 方形补偿器数值模拟63-69
• 4.4.1 物理模型63
• 4.4.2 湍流模型与边界条件63-64
• 4.4.3 数值模拟结果与分析64-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 5.1 结论70-71
• 5.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 附录77

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