90°水平弯管内水煤浆的阻力特性试验研究(精)

第４１卷第３期 ２０１０年５月 锅炉技术 ＢＯＩＬＥＲ

ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ Ｖ０１．４１。Ｎｏ．３ Ｍａｙ．．２０１０

文章编号：ＣＮ３１—１５０８（２０１０）０５—０００１一０４ ９０。水平弯管内水煤浆的阻力特性试验研究 桑钱锋，段钰锋，陈良勇，刘

猛

（东南大学热能工程研究所，江苏南京２１００９６） 关键词：水煤浆；水平弯管｝阻力特性 摘 要：

在水煤浆综合输送中试试验台上，将管径为５０ｍｍ的９０。水平弯管配以不同弯径比，对神华煤水煤

浆进行了阻力特性试验研究。根据试验结果，对弯管内水煤浆的局部压力损失、摩擦阻力损失及弯管内流动有效长度等方面的一些特性进行总结。结果表明：采用合理的定义及方法，水煤浆弯管内流动的一些特性存在较为明显的规律。中图分类号：ＴＱ５３４．４ 文献标识码：Ａ ０前言

管内的局部压力损失（即总压力损失减去沿轴线方向长度的沿程损失）。

水煤浆是一种液固两相非牛顿流体。作为一种新型代油燃料，它具有投资少、制作简便、成本较低、燃烧效率高、易输送、低污染等优点，作为流体燃料可以泵送，雾化燃烧，污染物排放低，比直接燃煤有很大的优越性。

利用水煤浆输送中试试验台，以神华煤水煤浆为研究对象，在特定管径下，通过改变弯径比，考察了水煤浆在９０。水平弯管这种特殊的局部管件内的阻力特性。在利用一些已知的非牛顿流体在弯管内流动的经验公式处理试验数据的过程中，均未能获得比较满意的结果。因此，采用合理的准则数及方法进行改进，得到了适合试验煤浆的经验公式，并根据实验数据提出了弯管内流动的有效流动长度的一些假设。 １

么户皇一测量段内的总压力降，Ｐａ；４户ｌ一弯管段前的直管段的压力降．Ｐａ，么户２一弯管段后的直管段的压力降．Ｐａ；刀ｐ膏一弯管段内的压力降，Ｐａ；Ｌ，一弯管段前的直管段长度，ｍ，Ｌｚ一弯管段后的直管段长度，ｍ，Ｌ膏ｌ一弯管的几何尺寸长度，ｍ；Ｌｇｚ一弯 管的尾流段长度。ｍ 图１弯管的压力分布

对于弯管段前后直管内的压降可采取下式来计算： 弯管形态分析及部分参数定义

在研究水平弯管内的压力损失时，对弯管的 舰＝Ａｐ，＋Ａｐ。＝｝笋小譬（１）

本文中所研究的弯管段的局部压力损失可用下式来计算： △户局２△夕且－－Ａｐ梧．ｕ

形态重新进行了定义，所讨论的弯管为实际几何意义上的弯管段加上弯管的前后影响长度。对于水平弯管内的局部压力损失常见的有如下的２种定义：一种是对弯管自身几何长度内的压力损失而言；另一种是对弯管所影响管段内的全部损失（局部加沿程损失）而言。对于弯管内压力损失的定义采用第一种定义，即研究重新定义的弯

收藕日期：２００９—０６—０９；修回日期：２００９—０９—０３ ＝Ａｐ总一坠害型小譬

式中：Ｌ膏＝Ｌ夸１＋Ｌ弩２，ｍ； （２）

Ｄ——圆管内径，ｍ；

基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）资助项目（２００４ＣＢ２１７７０１）

作者简介：桑钱锋（１９８４一），男，汉族。江苏南通人。硕士研究生，主要研究洁净煤燃烧技术及非牛顿流体。 万方数据 ２

锅炉技术 第４１卷

Ｐ——水煤浆的密度，ｋｇ／ｍ３；可——管内的平均速度，ｍ／ｓ。 对于直管内的阻力系数Ａ，笔者采用的改进后的摩擦阻力系数计算公式，即 Ａ一罟，式中的雷诺数采用卢平‘１１提出的适 Ｃ Ｊ

／、．Ｃｇ

合水煤浆管内流动的广义雷诺数Ｒｅ。。 ２试验系统及方法

采用管流法测量所测弯管段的压差及流量来研究流经弯管的阻力特性。图２是东南大学水煤浆输送中试试验台，本文的实验就是在这个实验台上完成的。

ｌ一搅拌机１２－浆筒１３－螺杆泵；４－隔膜压力表１５－试验段；６－差压变送器接口法兰；７－差压变送器；８－电磁流量计ｆ９－数模转换，１０－计算

机；Ｉ一旁路系统；Ⅱ一大循环系统 图２水煤浆输送中试试验装置图

实验系统分为循环系统和旁路系统２部分，旁路系统是为了防止水煤浆沉积、堵塞管道和调节仪表而建立的，整个试验段在循环系统里。该实验装置主要由储浆罐、搅拌器、螺杆泵、测试管路、差压变送器、电磁流量计、若干阀门等组成。试验采用了单螺杆泵，流量为１８ｍ３／ｈ。试验时通过调节泵的转速来调节流量。另外，为了保证水煤浆在整个试验过程中均匀混合且不发生沉淀，在浆桶上方安装了１套搅拌装置，搅拌机的额定功率为３ｋＷ，转速行一３０ｒ／ｒａｉｎ，压差Ａｐ由差压变送器测得，流量Ｑ采用电磁流量计测量，压差信号和流量信号均通过另外配置的数据采集系统由电脑进行采集。将试验所用的不同弯径比的弯管安装再试验段分别进行试验。

３实验结果与分析

为了确定所测水煤浆的流变模型及直管内的阻力系数，弯管试验前已对所测煤浆在直管内分别进行了试验，由于流速相对较小，本文中的 万方数据

煤浆均处于层流状态，具体处理方法参见文献［２］。本文所用的试验煤浆为神华煤水煤浆，质量浓度为５９．１％，密度为１ ２４５．３

ｋｇ／ｍ３。其流变

关系为：ｒ＝３９＋Ｏ．８１４７。１０６，＿ｒ为剪切应力，Ｐａ，属于广义宾汉流体。

３．１入口雷诺数对弯管的局部压力损失系数的影响

雷诺数是流体流动过程中一个衡量流体流动状态的重要的无量纲数，并能很好得反应流体管内流动的阻力特性。本文中由于水煤浆在弯

管内的流型并不规则，因此不能简单的应用雷诺数。本文中采用的是流体流人弯管段前的层流稳定段的雷诺数来研究其对弯管内阻力特性的影响。并且采用的雷诺数为适合广义宾汉流体的广义雷诺数。

局部压力损失系数是一个常用来形容局部管件中阻力特性的系数。本文中可利用此系数来研究水煤浆流经弯管的阻力特性。定义此局部压力损失系数为： ｝２挚 （３）

式中：△户局——为弯管段（重新定义的弯管）内的 局部压力降，Ｐａ；

口——为管内平均速度，ｍ／ｓ。

图３所示的为入口广义雷诺数对弯管中局部压力损失系数的关系。从图３可以看出，试验煤浆在不同弯径比的弯管中流动的局部压力损失存在明显的规律：随着雷诺数的升高，局部压力损失系数变小，直至达到平衡状态；压力损失系数与广义雷诺数的关系受弯径比影响较小，呈现出较为归一的规律。 枷姗姗瑚抛啪啪∞ｏ ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００

７００ 广义雷诺数

图３雷诺数对局部压力损失系数的影响

由式（２）可知，本文研究中的局部压力损失是弯管内的压力总损失减去沿弯管轴线方向的沿程损失（近似看似直管内的沿程损失）。通过试验可知，弯管内的局部压降占弯管内总压损失的大部

第３期桑钱锋，等：９０。水平弯管内水煤浆的阻力特性试验研究

分，试验中所用的弯径比较小且相差相对于煤浆速度的变化来说并不太大，因此，从图３中并不能明显看出弯径比对局部压力损失系数的影响。可以认为：在较小的弯径比的弯管中流动，水煤浆的局部压力损失系数主要受人口流速的影响。

图３中的局部压力损失系数与广义雷诺数存在明显的趋势规律，与直管内的摩擦阻力系数趋势上一致。对图中数据进行拟合，可得： 筝＝６０５３／Ｒｅ。 （４）

式（４）的拟合过程中，误差在ｌｏ％以内，属于工程允许误差之内，可以用于对应水煤浆弯管流动局部压力损失系数的计算。３．２弯管内摩擦阻力损失 一些学者［３￣４３在研究弯管内流动阻力特性时，总结出弯管的阻力损失之比＾／厂ｐ与Ｄｅ数的经验关系式，其中厂ｃ为弯管内的摩擦阻力损失，＾为弯管段前后稳定段的摩擦阻力损失，各数的定义式如下，其中Ｒ。为弯管的曲率半径，△＠为弯管的弯角： 八

，：丝』Ｌ ｆ５、 、。７

Ｒ，Ａ０２ｐ口２ ． １６ ，一、

，ｐ２Ｒ—ｅ １６）

ｗｌ－ｆｆ－ 取２ＲＰ√恙 ‘７）

本文中定义的Ａｐ局为弯管的局部压力损失，即弯管内的压力总损失减去沿弯管轴线方向的沿程损失，因此可定义对应的＾即为局部摩擦阻力系数。在对水煤浆流经９０。水平弯管研究时，对＾／厂ｐ与Ｄｅ的关系进行拟合，如图４所示，未能得出较为满意的结果。 ＯＯ

ＯＯＯ００Ｏ０Ｏ ｏ ５０

１００１５０２００

２５０３００ ３５０４００ Ｄｅ

图４雷诺数对局部压力损失系数的影响

对比式（３）与式（５）可以发现，局部摩擦阻力系数，ｆ相对于局部压力损失系数加上弯管的形态修正，即可以认为摩擦阻力系数是加入弯管几何修正的局部压力损失系数。

万方数据 ７５６５５５

４５３５２５籁幡Ｒ匠鞲蟹 ｌ５Ｏ５ 们¨¨¨∞啦¨凹吣ｎ５ ０ １００ ２００ ３００ ４００

５００ ６００ ７００ 广义雷诺数

图５雷诺数对摩擦阻力损失系数的影响

图５所示的是广义雷诺数与弯管内摩擦阻力系数的关系，对比图３和图５可以看出，弯管内流动的局部压力损失系数及摩擦阻力系数与入口广义雷诺数存在相同的趋势。图５中所示的摩擦阻力系数可以看做进行过几何修正的局部压力损失系数，相同的趋势进一步说明：在较小的弯径比作用下，弯管的几何形态对水煤浆局部流动阻力影响较小，而入口流速的影响是主要部分。 对图５中的数据进行拟合，在工程允许误差

范围内可以得出水煤浆弯管流动的局部摩擦阻力系数和弯管内总摩擦阻力系数的公式为：

正＝ｌＯＩＲｅ。 （８）

因此，可以认为采用合适的定义，试验煤浆

在弯管内流动的摩擦阻力系数与直管内的阻力系数具有形式上的一致性，更加有利于对弯管内的阻力特性进行分析。３．３弯管段流动的有效长度

Ｂｏｇｅｒ等人［５－６］采用与局部管件阻力损失相等的管径为Ｄ、长度为ＬＰ的直管沿程阻力损失来研究非牛顿流体流经局部管件的阻力特性，把局部管件阻力损失与直管阻力损失相联系，ＬＰ与流体特征，局部管件形状、长度特点及流体入口

特性有关系。即：

Ａｐ局＝ＡＬｅｎｅｅ９ｔ （９）

其中Ａ取相同管径的直管内的阻力系数。 在对弯管内水煤浆的流动采用此方法进行

研究时，如图６所示。通过分析可得，在同一弯径比下，有效长度的变化幅度并不太大。对水煤浆流经各个弯径比下的有效长度进行平均化，发现误差并不很大，认为在工程允许误差范围内。图７即为平均有效长度与弯径比的关系。从图７可知：有效长度随着弯径比的增加而减小．并与弯径比近似呈线性关系。 ４

锅炉技术

８．０７．５７．０６．５６．０ 第４１卷

数进行合理定义，得出一些水煤浆在弯管内流动的明显规律；

（２）水煤浆在较小弯径比的水平弯管内流动时，入口条件相对于弯管几何形态对管内流动的影响更大；

（３）弯管内的局部压力损失及摩擦阻力系数具有与直管内阻力系数一致的趋势，并可用适当 ０ ５０

１００１５０２００２５０３００３５０４００ Ｄｅ

３

５．５５．０４．５４．０３．５ 的经验公式进行拟合；

（４）可以用有效长度的概念对弯管中阻力特性作类似直管流动的比拟，结果表明：同一弯径

图６Ｌｅ与Ｄｅ的关系 ６６６４６２

比下的有效长度尽管没有明显规律，更可认为在一平均值上下浮动，随着弯径比的增加，有效长度变小，并在一定范围的小管径内呈现近似的线性变化。参考文献： ４ ６ 墨

越业额怔霸＊

６０５８５６５４５２５Ｏ １０

ｌＺ

［１］卢平．水煤膏输送特性和喷雾特性及其直接数值模拟的研究 ［Ｄ］．南京：东南大学，２００２，５６—６２．

［２］陈良勇．段钰锋，王秋粉。任远．高浓度水煤浆的流变特性与

壁面滑移效应试验研究［Ｊ］．燃烧科学与技术，２００８，４（１４）： 弯径比

图７弯径比与平均有效长度的关系

可以认为，弯径比越大，水煤浆在弯管中的流动就越平缓，因此，表征阻力损失大小的有效长度ＬＰ就越小。随着弯径比进一步变大，弯管内的有效长度必然无限接近相同管径的直管内的流动长度，因此，平均有效长度与弯径比呈线性关系仅适用于本试验所用的较小的弯径比情况下（４＜Ｒｆ／Ｒ＜１２）。４结 论

３１７—３２２． ［３］Ｗｈｉｔｅ ａｎｄ Ｒ

Ｇ。ＦｉｓｈｅｒＭＪ，Ｂｅｒｒｙｊ Ｆ

Ｗ．Ｔｅｓｔｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

ｉｎｓｔｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ。

１９７３，２８（３）１６１９—６２２． ［４］ＭｉｓｈｒａＰ．Ｇｕｐｔａ ｐａｒｔ

ＳＮ．Ｍｏｍｅｎｔｕｍｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｃｕｒｖｅｄ ｐｉｐｅｓ．Ｐｒｏｃｃｓ， ２：ｎｏｎ－ｎｅｗｔｏｎｉａｎ ｆｌｕｉｄｓｒＪ］．Ｉｎｄ

Ｅｎｇ Ｃｈｅｍ

Ｄｅｓ，１９７９，１８：１３７—１４２． ［５］Ｂｏｇｅｒ Ｄ

Ｖ。Ｇｕｐｔａ ｉｎ

Ｒ，ＴａｎｎｅｒＲ１．Ｔｈｅｅｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｐｏｗ— Ｎｏｎ－

ｅｌ一－ｌａｗｆｌｕｉｄｓ

ｔｈｅｃａｐｉｌｌａｒｙｒｈｅｏｍｅｔｅｒ［＇Ｊ＇］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ

ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄ

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９７８，４（３）：２３９—２４８． Ｎ

本文对水煤浆流经９０。水平弯管的阻力特性进行了试验研究，通过分析得出了一下一些结论：

（１）可以对弯管的形态及一些管内流动的参

［６］ＳｐｅｄｄｉｎｇＰＬ，ＢｅｎａｒｄＥ，Ｃｒａｗｆｏｒｄ ａ

Ｍ．Ｆｌｕｉｄｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔＯ

ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ９０＂ＣｅｌｂｏｗｂｅｎｄＩＩＩｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｆｌｏｗ

ｌ－Ｊ］．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｈｅｒｍａｌａｎｄＦｌｕｉｄＳｃｉｅｎｃｅ，２００７，３２（３）ｌ ８２７—８４３．

ＡＳｔｕｄｙｏｆＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｏａｌ—ｗａｔｅｒＳｌｕｒｒｙ ＰａｓｓｉｎｇＴｈｒｏｕｇｈ ＳＡＮＧＱｉａｎ－ｆｅｎｇ， ａ

ＳｉｄｅＢｅｎｄｗｉｔｈ９０。

ＤＵＡＮＹｕ—ｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＬｉａｎｇ－ｙｏｎｇ，ＬＩＵＭｅｎｇ （Ｔｈｅｒｍｏ－ＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｗａｔｅｒｓｌｕｒｒｙ；Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ

ｓｉｄｅｂｅｎｄ；

ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ

ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔａｋｅｎ ｏｕｔｏｎ

ｔｈｅｃｏａｌｗａｔｅｒｓｌｕｒｒｙ ｔｏ

（ＣＷＳ）ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ

ｐｉｌｏｔｔｅｓｔ—ｂｅｄ，ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅ９０。ｓｉｄｅｂｅｎｄｉｓ５０ｍｍａｎｄ

ｍａｔｃｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｅｎｄｒａｔｉｏｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ。ｍａｋｅｓｏｍｅｓｕｍｍａｒｉｅｓ ｏｎ

ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ、ｆｒｉｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｌｏｏｓｅ、ｆｌｏｗｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅｎｇｔｈ ＳＯ

ａｎｄ

ｏｎ．Ｉｔｔｕｒｎｅｄ ｏｕｔ

ｔｈａｔｓｏｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅ ＣＷＳ

ｆｌｏｗｉｎｇｉ１＂１ｔｈｅｓｉｄｅｂｅｎｄｈａｖｅ

ｏｂｖｉｏｕｓｐａｔｔｅｒｎｓｉｆａｄｏｐｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔｈｏｄ． 万方数据

90°水平弯管内水煤浆的阻力特性试验研究 作者： 作者单位： 刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：桑钱锋， 段钰锋， 陈良勇， 刘猛， SANG Qian-feng， DUAN Yu-feng， CHEN Liang-yong， LIU Meng东南大学,热能工程研究所,江苏,南京,210096锅炉技术BOILER TECHNOLOGY2010,41(3) 参考文献(6条)

1.Spedding P L;Benard E;Crawford N M Fluid flow through a vertical to horizontal 90℃ elbow bend Ⅲthree phase flow 2007(03)

2.Boger D V;Gupta R;Tanner R I The end correction for power-law fluids in the capillary rheometer1978(03)

3.Mishra P;Gupta S N Momentum transfer in curved pipes,part 2:non-newtonian fluids 1979

4.White R G;Fisher MJ;Berryj F W Test facilities techniques and instrmentation 1973(03)

5.陈良勇;段钰锋;王秋粉;任远 高浓度水煤浆的流变特性与壁面滑移效应试验研究[期刊论文]-燃烧科学与技术2008(14)

6.卢平 水煤膏输送特性和喷雾特性及其直接数值模拟的研究 2002 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gljs201003001.aspx