三相流管道输送试验与数值模拟分析研究

摘要

本论文依托天津航道局资助的“绞吸式挖泥船加气输送系统试验研究”课题，主要研究挖泥船的输泥管道中出现的管道阻力过大和管道容易磨损等关键技术问题。挖泥船在湖泊清淤、取土固堤以及对航道进行疏浚治理中，通过输泥管直接将泥浆运送到指定的排泥点。在作业中挖泥船通过排泥管道以固一液两相流输送泥浆，其不足之处是输泥阻力大、输运距离短、能耗高、易堵管、管道易磨损等系列问题，造成疏浚停工和安全事故，因此，研究挖泥船输泥管道的管道阻力和磨损问题具有重要的理论研究意义和工程应用价值。 输泥管道的摩阻和腐蚀问题受到多种因素的影响，通常主要与固一液两相的腐蚀性、管内壁粗糙度、管道形状、流体的流速与流型等因素密切相关。本文是以多相流试验为依托，通过理论分析、弯管和喷嘴内的流体流场CFD模拟来开展挖泥船输泥管道特性研究，主要进行的研究工作如下：进行管道试验方案设计、管道模拟试验、数据分析和机理研究；根据弯管和喷嘴特征，建立流场数学模型，依据流体边界条件分析管道内流体的流速分布、壁面剪切应力分布、压应力分布、相分布，研究管道阻力和冲蚀规律，找出影响管路阻力和冲蚀状况的主导因素。研究中利用ANSYS软件中FLOTRANCFD模块对多相流的弯管处和喷嘴流体流场进行建模、划分网格、加载、分析后，得出了流体流经弯管处的压力分布图和速度矢量分布图，分析了流体在流经弯管和喷嘴时速度和压力的变化，得到造成压力损失的主要原因是流速突然加大，因为流体具有粘性，随着速度的加大管道内壁与流体的摩擦阻损失越大。并找到管道内易损坏的部位是弯管的拐角处的内壁、喷嘴的连接出口的圆弧处和喷嘴的出口的平直管道的外侧，为多相流系统的设计提供了一个合理的依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章概述

1.1课题的来源与意义

1.2管道输送中存在的主要技术问题

1.2.1关于管道阻力问题

1.2.2关于管道磨损问题

1.3国内外研究现状

1.3.1管道阻力的研究

1.3.2管道磨损的研究

1.4研究问题的提出

1.5本文研究的主要内容

第2章管道输泥试验

2.1试验目的

2.2试验台组成

2.3试验方案设计

2.3.1正交试验设计原理

2.3.2试验步骤及主要测试参数

2.3.3疏浚管道模拟试验方案的设计

2.3.4试验步骤

2.4试验数据的获取与分析

2.4.1试验数据与处理

2.4.2阻力损失机理分析

2.4.3阻力损失

2.4.4加气延长排距机理分析

2.4.5试验结果

2.5本章小结

第3章多相流的管道分析模型

3.1多相流的分析模型

3.1.1拉格朗日(Lagrange)模型

3.1.2欧拉(Euler)模型

3.2气水固三相流动的基本参数

3.2.1流量

3.2.2流速

3.2.3相分率

3.2.4密度

第4章弯管和喷嘴的数值模拟分析

4.1分析方法

4.2数值分析软件选择与介绍

4.3弯管和喷嘴的数值模拟与分析

4.3.1弯管CFD数值模拟与分析

4.3.2喷嘴CFD数值模拟与分析

4.4本章小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目

附录1