冰漿的管道輸送熱流動特性.pdf

1、在區(qū)域供冷系統(tǒng)中，以冰漿代替?zhèn)鹘y(tǒng)載冷介質(zhì)是實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性投運的理想途徑之一。冰漿的管道輸送是冰漿在區(qū)域供冷系統(tǒng)中應(yīng)用時重要的組成環(huán)節(jié)，伴隨著漿體的管道輸送，冰漿呈現(xiàn)出區(qū)別于純流體的非均質(zhì)性流動及潛熱釋放等特有的物理現(xiàn)象。這些物理現(xiàn)象的存在，極大地增進(jìn)了對冰漿熱流動規(guī)律的認(rèn)知及刻畫難度。因此，作為冰漿工程推廣的基礎(chǔ)性研究，獲知冰漿輸送中非均質(zhì)流動的場特征、量化冰粒子非均勻分布對流變及流阻規(guī)律的改變、探索冰漿熱流動的基本傳熱規(guī)律及其對流動特

2、性產(chǎn)生的影響將具有重要的理論意義及實用價值。
　　針對上述目標(biāo)，本文采用兩相流理論與計算流體力學(xué)相結(jié)合的方法，研究了不同形狀管道內(nèi)冰漿的流動特性及傳熱特性。對于冰漿流動特性，首先，將冰粒子間的相互作用類比于稠密氣體分子間的相互作用，應(yīng)用兩相流歐拉-歐拉模型及顆粒動力學(xué)的相關(guān)理論研究了水平、垂直及90°彎管道內(nèi)冰漿非均質(zhì)性等溫流動的場特征。其次，基于冰漿非均質(zhì)性等溫流動的場特征，分段考慮了因冰粒子非均勻分布對冰漿流變特性的改變，基于

3、分段流變模型和混合模型求解出冰漿非均質(zhì)性流動阻力分布規(guī)律。而后，結(jié)合兩相流歐拉-歐拉三維微分模型，引入顆粒濃度擴散方程和非均質(zhì)流動曲面方程，建立出適用于工程設(shè)計階段的冰漿非均質(zhì)性等溫流動阻力“準(zhǔn)二維”模型，并驗證了數(shù)學(xué)模型的有效性。最后，根據(jù)對冰漿非均質(zhì)性等溫流動的場特征、流變特性及流動阻力規(guī)律所取得的理論認(rèn)知，在專業(yè)實驗室內(nèi)搭建冰漿非均質(zhì)性等溫流動實驗測試平臺，基于實驗研究方法進(jìn)一步探討了冰漿流動特性的基本規(guī)律。同時，對比了“準(zhǔn)二維”

4、模型、歐拉-歐拉模型、混合模型及擬單相流模型對冰漿流動阻力的預(yù)測性能。對于冰漿傳熱特性，采用熱焓多孔介質(zhì)模型與兩相流歐拉-歐拉模型相結(jié)合的方式，研究了水平管道內(nèi)冰漿熱流動過程中冰粒子的相變傳熱特性及其對流動規(guī)律產(chǎn)生的影響。
　　研究結(jié)果表明，對于冰漿流動特性，基于顆粒動力學(xué)理論的兩相流歐拉-歐拉模型能夠有效刻畫出不同形狀管道內(nèi)冰漿非均質(zhì)性等溫流動的場特征。整體而言，隨著流速的減小、冰粒子濃度的升高以及顆粒直徑的增大，冰漿非均質(zhì)性流

5、動過程增強。在水平和豎直管道內(nèi)，當(dāng)局部區(qū)域內(nèi)冰粒子濃度及流速高于某一限值時，冰粒子濃度分布出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。在90°彎管道內(nèi)，冰漿流經(jīng)彎管段時逐漸呈現(xiàn)出“二次流”現(xiàn)象，這一作用加劇了冰粒子與載流體間的混合。針對所選取的非均質(zhì)性流動工況及冰漿構(gòu)成，應(yīng)充分考慮隨運行工況變化時冰漿由牛頓向非牛頓流變特性的轉(zhuǎn)變。當(dāng)流速較高時，Thomas粘度方程能夠較為準(zhǔn)確地刻畫出冰漿粘度。隨著流速降低，可借助非牛頓賓漢流變模型加以描述?；诜侄瘟髯兡Ｐ图盎旌夏Ｐ?，能