圆管螺旋流特性及其减缓氧化铝管道结疤机理的研究

摘要

氧化铝生产过程结疤是国内外氧化铝企业相当普遍的现象。不论引进何种生产方法,氧化铝湿法生产设备和管道壁面上粘附和结垢的固态物质的结疤现象目前仍是不可避免的,严重影响生产和设备效率。目前对管道结疤的处理方法有:机械清理、火焰清理及高压水清洗和化学清洗相结合的方法,但存在两个问题,一是清洗时间长,二是清洗不彻底,效果并不令人满意。
　　为突破管道结疤这一制约氧化铝生产的瓶颈,中国铝业山西分公司委托我校开展科技项目“氧化铝生产过程中流动结构减缓管道结疤的理论研究”的研发,试图建立一种新型的简单的减缓氧化铝生产管道结疤的技术和方法,通过改变氧化铝生产过程中的管道流动结构,将管道平直流改变为具备一定强度的螺旋流阻滞和降低铝矿浆中颗粒附壁的几率,降低氧化铝生产中的结疤速率,从而减缓或防止氧化铝生产过程中的管道结疤。
　　论文基于圆管螺旋流的特性,通过建立圆管螺旋流的基本方程、速度分布表达式、压力分布表达式和能量损失计算公式,探讨了螺旋流衰减规律和旋流长度的计算,分析了螺旋流中颗粒的运动行为以及管壁剪切力的计算,并据此揭示出氧化铝生产过程中螺旋流延缓管道结疤的机理。然后,通过Gambit软件对圆管螺旋流和平直流建模,采用Fluent软件设计并建立圆管螺旋流仿真平台。经过一系列圆管螺旋流的模拟仿真,计算和导出一批仿真数据与图表,并以此进一步分析圆管螺旋流的速度场、压力场、管壁切应力、螺旋衰减规律和颗粒的运动轨迹,从而验证理论研究建立的描述圆管螺旋流特性的相关方程和计算公式。通过理论分析与计算机模拟仿真的对比,最后得出结论:无论从速度、压力分布,还是颗粒运动行为角度,都证明了将管道平直流改为螺旋流以减缓和防止管道结疤的方法是可行的。
　　本文属于该科研项目的理论基础部分。通过对水平轴圆管螺旋流的动力学和运动学特性的研究,探讨螺旋流减缓或防止管道结疤的机理和可行性,从而为项目工程实施提供理论支撑和技术指导。同时,文中对螺旋流特点和相关参数的计算研究,也是对工程流体力学中一个重要课题的完善,是对螺旋流工程应用领域新的拓展。

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第一章 绪论

1.1 课题依据和课题来源

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的目的和意义

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 圆管螺旋流基本方程和流场分析

2.1 螺旋流形成原理

2.2 螺旋流的基本方程

2.3 圆管螺旋流速度场

2.4 圆管螺旋流压力场

2.5 本章小结

第三章 圆管螺旋流的强度衰减与能量损失

3.1 圆管螺旋流强度

3.2 螺旋流的能量损失

3.3 螺旋强度的衰减规律

3.4 旋流长度

3.5 管壁切应力

3.6 本章小结

第四章 圆管螺旋浆体流中颗粒的运动分析

4.1 圆管螺旋流中浆体颗粒的运动特点

4.2 圆管螺旋流中浆体颗粒的受力分析

4.3 水平轴圆管螺旋流场中颗粒的运动轨迹

4.4 颗粒运动湍动特性

4.5 圆管螺旋流中断面上固体颗粒的浓度分布

4.5 本章小结

第五章 平直管道螺旋流模拟仿真设计

5.1 仿真软件

5.2 仿真建模

5.3 网格划分

5.4 设置边界类型

5.5 检查网格

5.6 计算方法设置

5.7 初始化并迭代计算

5.8 本章小结

第六章 圆管螺旋流仿真结果分析

6.1 圆管螺旋流速度分布

6.2 圆管螺旋流的压力分布

6.3 管壁切应力

6.4 颗粒在圆管螺旋流中的浓度

6.5 圆管螺旋流减缓氧化铝管道结疤机理的分析比较

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文