毕业设计论文-水平管内cross流体携砂数值模拟

本科毕业设计（论文）毕业设（论文任务书题目水平管内cross流体携砂数值模拟学生姓名学号201106090125专业班级设计（论文）内容及基本要求课题背景与来源:在石油化工、能源动力工业中，相比于牛顿流体，非牛顿流体具有更强的携砂能力。在流速较小时，通常可以忽略流体的黏弹性，而将流体处理成幂律流体或者具有低剪切速率平台区（零剪切黏度）的黏性非牛顿流体。研究此类流体在水平管中的携砂流动，对化工分离、混合以及化学反应、水力输送等工业过程具有极为重要的指导作用。本文利用数值模拟技术研究水平管中非牛顿幂律流体、Cross流体中颗粒分布特性，旨在探索幂律流体与cross流体中颗粒在水平管中的分布规律，为此类流体携砂流动工程应用提供一定的参考。1．查阅相关文献资料15篇以上（英文要求至少2篇），掌握非牛顿幂律流体、Cross流体的本构方程，此类流体在化工过程机械专业的应用背景。撰写开题报告一篇。2.完成非牛顿幂律流体、Cross流体在水平管中携砂两相流动规律，分析流速、砂比对管内砂粒浓度分布以及流动压降的影响。主要研究内容有：（1）牛顿流体和非牛顿流体中，水平管中两相流动理论分析和文献综述；（2）水平管中液固两相流动模型建立以及网格划分（模型优化、网格无关性验证）；（3）幂律指数对颗粒和有效粘度在水平管内分布规律的影响；（4）Cross流体零剪切黏度对颗粒和粘度在水平管内分布规律的影响；（5）流速和砂含量对颗粒分布规律及压降的影响。3.绘制化工机械类设备图纸一张（A0）。4.翻译外文资料一篇，不少于15000个字符5.编写设计说明计算书一份，打印成册。设计（论文）起止时间2015年1月12日至2015年6月14日设计（论文）地点指导教师签名年月日系（教研室）主任签名年月日学生签名年月日水平管中cross流体携砂数值模拟摘要：在能源、石油化工等工程领域，水煤浆管道输送、锅炉水力除渣、页岩气井水力压裂等工业过程都是典型的固液两相流。相对于牛顿流体，非牛顿流体往往具有更强的固体颗粒输送能力。但是对于非牛顿流体携砂管道流动机理的研究尚存在很多不足。论文以水平井水力压裂工况为工程背景，应用CFD多相流理论，基于Fluent软件，首先对牛顿流体、幂律流体以及Cross流体在水平管道中的流动特性进行了分析，在相同的流速下，Cross流体的流动压降更小，主要是因为其速度分布在靠近管道中心部分更加接近于“柱塞流”。其次，利用混合Granular模型，分析了三种流体的携砂性能。分析了陶粒固相颗粒在三种流体中的分布规律，得到了在相同的入口流速下，Cross流体相对于牛顿和幂律流体的携砂压降更小，陶粒在管道截面的分布更加均匀。最后，对Cross流体携砂流动进行了参数敏感性分析。Cross流体参数中，零剪切粘度越大、幂律指数越大、松弛时间越小，携砂能力越好。关键词：多相流；数值模拟；Cross流体；携砂能力NumericalinvestigationsofCross-sandsslurryflowinhorizontalpipelineAbstract:Liquid-solidtwophaseflowiscommoninmanyengineeringfieldssuchasenergy,petrochemical,coalslurrypipelines,waterboilerslag,shalegaswellhydraulicfracturingandotherindustrialprocessesaretypicalphaseflow.Non-NewtonianfluidshavestrongersolidparticletransportcapabilitiescomparedwithNewtonianfluid.However,forthenon-Newtonianfluidflowmechanismcarryingsandpipeline,therearestillalongwaytogo.Inhorizontalwellsfracturingconditions,usingtheCFDmultiphaseflowtheory,firstly,Newtonianfluid,powerlawfluidandfluidflowthatbecharacteristicsofCrossmodelinhorizontalpipeareanalyzedusingFluentsoftware.Atthesameflowrate,Crossfluidflowpressuredropsaresmaller,mainlybecauseitsvelocitydistributionnearthecentralportionofthepipelinecloserto"plugflow".Secondly,usingmixingGranularmodeltoanalyzetheperformanceandthedistributionofceramicsolidparticlesinthefluidofthreekindsofsand-carryingfluid,reachedtheoutcomethatatthesameinletvelocity,Crossfluid’spowerratioisrelatedtotheNewtonianfluidandsandcarryingasmallerdrop,ceramicdistributedmoreinthepipelinesectionuniform.Finally,analysingthesensitivityoftheparameterofsand-carryingfluidflowsCross.InCrossfluidparameters,thebiggerthezeroshearviscosity,thebiggerofthelawindex,thesmallertherelaxationtimeandthebetterthecarryingcapacity.Keywords:Multiphaseflow;Numericalanalysis;Theabilityofsandcarrying③Cross方程方程形式为： （3-2）公式中有四个参数η0，η∞，K，m。由上式可知，当γ→0，有η→η0，即零剪切粘度。当γ→∞，有η→η∞，即无穷剪切粘度。虽然Carreau方程和Cross方程比幂律方程更全面的描述了粘性变化规律，但由于参数较多，应用不如幂律方程普遍；而且三者都是经验方程，物理意义不明确。本论文主要就幂律方程和Cross方程进行比较，并选择携砂性较好的Cross方程进行携砂的模拟，研究分析流体携砂的性质。牛顿流体与幂律流体在Fluent软件中的本构方程与经验方程都是一致的，所以只需要给出相应的拟合过的数据即可，但对于Cross流体，软件中的本构方程与经验方程是不同的，经验方程为式（3-2），而软件中的本构方程为式（3-3），其中，η0均为零剪切粘度，n为幂律指数，且n=1-m。 （3-3）图3-1幂律流体、Cross流体与实验值的拟合结果图3-2幂律流体与实验值数据拟合对于1.4wt%OTAC+0.35NaSal流体，用幂律流体、Cross流体与实验值进行拟合，拟合效果效果如图3-1。采用幂律流体本构方程拟合，如图3-2，得k=1.1587pa·s^n，n-1=-0.685即n=0.315，其中拟合度R2=0.99；采用Cross流体本构方程拟合得：η0=2.558pa·s，λ=0.9899s，n=-0.1989；牛顿流体则取μ=2.558pa·s。3.2单相液体的模拟结果与分析在上一节中，对牛顿流体、幂律流体以及Cross流体进行了介绍，在本节中以1.4wt%OTAC+0.35NaSal流变数据作为基础数据，采用牛顿流体（只考虑零剪切粘度）、幂率（只考虑剪切稀化区）、Cross（综合零剪切粘度与剪切稀化区）三种不同本构方程，研究流体流速分布、压差随平均入口速度的变化规律，通过比较获得一种携砂性较好的流体。三种流体压差随平均入口速度变化的比较结果如图3-3。在入口速度分别为10m/s，36m/s和63m/s时的流速分布比较结果如图3-4所示，图（a）的入口速度10m/s，图（b）入口速度为36m/s，图（c）入口速度为63m/s。图3-3中比较结果表明，在平均入口速度相同的情况下，牛顿流体的压差变化最大，幂律流体次之，Cross流体最小，但三种流体压差线的斜率基本一致，这说明了三种流体的压差随入口平均速度改变的变化程度是相同的。在图3-4三幅速度分布图中，沿管道圆形截面径向方向，流体速度均呈对称分布。其中，牛顿流体因只考虑零剪切粘度，壁面处的剪切粘度不能够充分的表现，故其速度分布为标准的抛物线，流动最大速度集中在管道中心附近的较小区域；幂律流体则因只考虑剪切稀化区，考虑了壁面处的剪切粘度，故壁面处速度会突然变大，远离壁面后速度增长速度有所减缓；Cross流体综合考虑了零剪切粘度以及剪切稀化区，因此，在临近壁面处流体速度也是突然变大，但远离壁面后速度的增长较幂律流体更加的缓慢，整个速度分布表现为柱塞流。图3-3三种流体的压差随入口速度变化图（a） （b）（c）图3-4三种流体在入口平均速度为10m/s、36m/s和63m/s时的速度分布图（a）v=10m/s（b）v=36m/s（c）v=63m/s在图3-4中，从图（a）到图（c），随着入口平均速度的增大，牛顿流体的壁面处速度并没有随着速度的增大而增大，仍然不能表现出壁面处的剪切粘度，但随着速度的增大，流体最大速度在管道中所占区域逐渐增大，即抛物线顶端的扁平区域；幂律流体随着平均入口速度的增大，更加清晰的展现了幂律流体在壁面边界处速度的变化，但速度在离开壁面后仍然是增长较快，并没有随着平均入口速度的增大而改变，与牛顿流体相同的是流体最大速度在管道中所占区域也随着速度的增大而增多；Cross流体随着入口平均速度的增大，整体呈现一个明显的柱塞流，边界处的速度增长比幂律流体还要剧烈，但离开边界处后，速度在缓慢增长后保持稳定。3.3小结通过本章对单相液体流动的比较分析后发现，在相同的流速下，Cross流体表现出的流体剪切粘度比牛顿流体和幂律流体更加全面，更加适合用来进行流体携砂模拟，并且在整个的流体速度分布图中，Cross流体的流动速度分布更加稳定。因此，在第五章中选择Cross流体作为携砂模拟的基础流体，在其中加入陶粒进行Cross参数敏感分析，不过为了说明三种流体携砂后的不同，在第四章中对三种流体同时进行携砂，并对模拟结果中的压差和速度分布进行比较，同时也是对本章比较分析结果的一种验证。4水平管道携砂液固两相流动模拟由第三章的分析结果可知，在速度相同的牛顿流体、幂律流体和Cross流体中，Cross流体的流动压降更小，主要是因为其速度分布在靠近管道中心部分更加接近于“柱塞流”。在本章中，利用混合Granular模型对三种流体的携砂性能进行分析。4.1数学模型计算流体力学的进展为深入了解多相流动提供了基础。目前有两种数值计算的方法处理多相流：欧拉—拉格朗日方法和欧拉—欧拉方法，其中拉格朗日方法着眼于个别粒子的运动，而欧拉方法着眼于各时间全体流动的状态，在本论文中欧拉方法更加适合。在Fluent中共有三种欧拉—欧拉多相流模型，分别为：流体体积模型（VOF）、混合物模型（Mixturemodel）以及欧拉模型（Eulermodel）。各种模型的特点如表一所示，因此本论文中选择MixtureModel（Granular）模型。表一各种欧拉模型的特点VOFModelFluentEuler型多相流模型中较简单的模型（不能模拟粒子运动）；相间的分子扩散可以忽略时，能得到较好的结果；可以计算液滴与气泡的分裂和合成；最小液滴与气泡受网格大小限制；MixtureModelFluentEuler型多相流中较简单的模型；受Stokes数大小的限制；MixtureModel（Granular）计算负荷比EulerGranular模型要小；EulerModel多相流模型中适用范围最广；不受Stokes数大小的限制，有时可用Mixturemodel替代；计算费用较大；EulerGranularModel可以考虑粒子的堆积和摩擦；计算费用最大；混合物模型又叫单流体模型，这种模型假定相互作用着的两相或两组分构成了一种新的介质，且连续充满整个流场，并认为单相连续介质力学的概念与方法对该假想的流体仍然适用。混合物模型的优点是模型相对简单,理论上需要的结构关系少,可以最大限度地应用较为成熟的处理单相流的数值解法和程序来处理两相流,计算上省时间,经济性好,主要适用于固体颗粒较小（如黏土、粉尘）与液相混合较均匀、固液两相的流速差不大的情况。混合模型通过求解混合相的动量方程和连续方程、次要相的体积分数方程以及相对速度（滑移速度）的代数表达式来模拟两相流。混合模型中混合物的连续性方程 （4-1）混合物的动量方程可表示为（4-2）其中n为相的个数，F为表面力，为固体的体积分数，为混合物密度，为混合物粘度，表示为和 （4-3）和分别为质量平均速度和漂移速度，表示为和 （4-4）滑移速度的定义为次要相（p）相对于主要相（q）的速度：（4-5）漂移速度和滑移速度的关系如下： （4-6）在混合模型中的基本假设是，规定相对速度的代数关系，相之间应达到在足够短的空间中保持局部平衡。滑移速度的形式： （4-7）其中：次要相的体积分数方程： （4-8）混合模型应用于层流和湍流两相流。在实际中，由于携砂流动发生在充分发展的湍流中，RNGK–Ԑ湍流模型在本文中和混合模型一起使用。RNGK–Ԑ湍流模型的湍流动力能为：（4-9）湍流动能耗散率：（4-10）其中系数和分别是普朗特数k和Ԑ的逆效应。在高雷诺数的限制下，。和分别等于1.42和1.68。和是热膨胀系数和能量的湍流普朗特数。S是平均应变张量系数。定义为：和 （4-11）方程（4-10）中的R为： （4-12）其中，，，。4.2边界条件设置边界条件和初始条件一起并称为定解条件，只有在边界条件和初始条件确定后，流畅的解才存在，并且是唯一的。（1）边界条件：边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件。无滑移边界条件施加在墙壁上，其传热不在整个计算域考虑。在本文中，在靠近墙壁区域，由launder和Spalding提出的标准壁面函数因为其广泛的应用在工业流而被选择。在壁相邻的细胞当网格Y*≤11.225时，粘性力在底层占主导地位。层流应力应变关系可以应用: （4-13） （4-14）当时，对于平均速度的对数定律是有效的。公式为： （4-15）式中k是冯卡门常数，是湍流模型常数，和分别是P点的湍流动能和从点P到墙间的距离。为简化计算，本文中固液两相渐入管道的入口设为速度入口（VelocityInlet）,管线的出口设为压力出口（PressureOutlet）：，和，管线管壁设为固体壁面。（2）压力的设定Fluent计算中，首先要设定的是操作压力OperatingPressure。本论文计算过程中设操作压力为大气压。（3）初始条件在装置入口处砂粒的体积百分比设定为3%（后期进行砂含量对压差的影响时设定范围为3%-12%），砂粒均匀分布在入口截面上，并与流体具有相同的入口速度。4.3流速对颗粒在管内分布规律及压差的影响本文以一个典型的水平管路两相流湍流输送系统为研究对象，具体数据如下：管道直径D=0.04m，管长L=4m，管内平均颗粒直径dp为6.37*10-4m，陶粒的密度为1800kg/m3，入口处陶粒的体积分数αk的范围为3%-12%，即砂比的范围为5%-20%，入口处平均速度为0.5-27m/s。牛顿流体、幂律流体和Cross流体的参数取定为第三章中与实验拟合过的数据，具体如下：牛顿流体动力黏度为μ=2.558pa·s，密度为1000kg/m3。幂律流体k=1.1587pa·s^n，n-1=-0.685即n=0.315。Cross流体零剪切粘度η0=2.558pa·s，松弛时间λ=0.9899s，幂律指数n=-0.1989。图4-1三种流体携砂后压降随流速变化比较图本章中主要研究的是流速、砂含量对颗粒相在水平管内分布规律及压降的影响，在本节中，取陶粒在入口截面处的平均体积分数αk为3%，计算分析了入口平均速度对颗粒相的影响，模拟结果如图，其中图4-1是三种携砂流体的压降随流速变化的比较，此时考虑到压差的测量精度，从本节开始，观测面重新设定为距离管道入口2m处（L=2m）和距离出口0.5m处（L=3.5m）的截面；图4-2是三种携砂流体的颗粒相分布规律随流速的变化图，（a）图为牛顿流体中颗粒相分布变化，（b）图为幂律流体中颗粒相分布变化，（c）图为Cross流体中颗粒相分布变化；图4-3是三种流体在入口速度为4m/s时的等值线图；图4-4是三种流体在入口平均速度相同时，流体中颗粒相在水平管内的分布规律比较，（a）图入口速度为4m/s，（b）图速度为10m/s。在图4-1中，显示了三种携砂流体的压差随入口平均速度变化的折线图。图中，入口平均速度从0.5m/s增加到27m/s，即流量从0.04m3/min增加到2m3/min，牛顿流体的压差明显的高于幂律流体和Cross流体，不利于携砂；幂律流体的压差在低速度时明显高过Cross流体，速度增大后两者之间的差距大幅度减小，说明在低速度时幂律流体携砂性能没有Cross流体好，但在高流速时俩者的携砂性能基本相同。（a）（b）（c）图4-2牛顿流体、幂律流体和Cross流体携砂后颗粒相在水平管道中随流速变化的分布情况（a）牛顿流体（b）幂律流体（c）Cross流体在图4-2中，（a）图为在不同流速时牛顿流体携砂后颗粒相在管道中的浓度分布图，从中可以看出，随着速度的增大，管道顶部附近的颗粒相浓度在逐渐增加，底部的颗粒浓度在逐渐减少；从管壁附近到管路中心时，颗粒相呈均匀分布。（b）图是在不同流速时幂律流体携砂后颗粒相在管道中的浓度分布图，（c）图为Cross流体携砂后不同流速下的颗粒相浓度分布图。与牛顿流体相同的是，随着流速的增大，幂律流体和Cross流体管道顶部附近的颗粒相浓度逐渐增大，管道底部的颗粒相浓度在减少。不同的是，幂律流体和Cross流体在管道顶部附近部分区域颗粒相的体积分数会超过陶粒在入口截面处的平均体积分数αk（3%），而牛顿流体则不会超过这个数值；同样的，在管道底部也存在这样的现象。而且这种现象在速度越低时表现得越加明显，这种现象的存在对于携砂流体在管道底部顺利带走砂粒有良好的促进作用。（a）（b）（c）图4-3在速度相同时流体携砂后观测面处颗粒相的体积分布等值线图（a）Cross流体（b）幂律流体（c）牛顿流体图4-3中，在（a）图中可以观察到Cross流体在管道底部时存在一个较大的区域，这个区域内的颗粒相浓度明显的低于图（b）的幂律流体和图（c）牛顿流体的相同区域；在管道顶部处也是如此，部分区域内的颗粒相浓度高于幂律流体和牛顿流体。图（b）中的幂律流体在管道底部陶粒的浓度逐渐增加，而图（c）中，牛顿流体管道底部陶粒的浓度基本一致。图4-4中，（a）图和（b）图分别是流速为4m/s和10m/s时三种携砂流体的颗粒相体积分数的比较图。从该图中可以明显的观察图4-3陶粒浓度分布等值线图中展现的规律，并用比较的方法清晰的描绘出了陶粒在三种流体中的分布情况。比较图（a）和图（b）发现，在（a）图三种流体中陶粒浓度分布的差异最大，即流速越低时三种流体携砂性能差距更加明显。（a）（b）图4-4速度相同时牛顿流体、幂律流体和Cross流体携砂后观测面处的体积分布比较图（a）v=4m/s（b）v=10m/s本节的研究结果表明，Cross流体在管道底部和顶部各存在一个区域，在底部附近的区域内，颗粒相的体积浓度小于管道中心区域，在管道顶部的区域内，区域内的颗粒相浓度高于管道中心区域。这两个区域的存在，使得Cross流体可以在与牛顿流体和幂律流体相同的条件下带走更多的砂粒，充分的展现了Cross流体更强的携砂能力。而且在流速越低时，这种能力越强。4.4砂含量对颗粒在管内分布规律及压差的影响在本节中，主要进行研究砂含量对颗粒相在水平管内分布规律及压差的影响。上节中研究结果发现低流速时Cross流体的携砂性能更好，更加易于观察，因此在本次模拟中，取携砂流体为Cross流体，入口平均流速为4m/s，然后改变陶粒在管道入口的体积分数分别为3%、6%、9%和12%，并测得相应的压差以及观测面处的颗粒相分布。压差变化如图4-5，颗粒分布随砂含量的变化如图4-6。图4-5Cross携砂流体的压差随砂含量的变化在图4-5中，Cross流体的压差随着陶粒体积分数的增大而增大，压差越大说明流体在管道流动中受到阻力越大；阻力越大便意味着管道中的粘度越大；粘度越大时，流体携砂能力越好，在流动过程中便能带走更多的颗粒。因此，在一定的范围内，陶粒在入口处的体积分数越大，Cross流体的携砂能力越好。图4-6Cross携砂流体的颗粒相浓度分布随砂含量的变化图4-6中显示了在陶粒体积分数为3%、6%、9%和12%时的颗粒相分布情况。可以发现，随着陶粒体积分数的增大，在管道底部Cross流体的颗粒相浓度减小区域越加靠近管道底部。这说明随着砂含量的增加，Cross携砂流体的携砂能力更加良好，又由上一节的分析中得知，在流速越低时，流体的携砂能力更好，因此在第五章的Cross流体参数敏感性分析中，应该取砂含量数值较高、流速较低的流体进行分析。5Cross流体携砂参数敏感性分析由第四章的分析可知，Cross流体相比于同零剪切黏度的牛顿流体和幂率流体，其携砂能力最大。Cross流体本构方程中，零剪切黏度和流体松弛时间、幂律指数对其流变曲线都有着重要的影响。本章固定平均入口流速为4m/s，砂含量为12%，主要分析Cross流体本构方程中参数的改变对流体携砂能力的影响，以对实际流体参数的设计提供依据。5.1Cross流体零剪切粘度Cross流体本构方程中对流体携砂能力有影响的参数主要有零剪切粘度、幂律指数和松弛时间。在本节中，通过对观测面处的颗粒相浓度分布的比较，主要分析Cross流体本构方程参数中零剪切粘度η0对流体携砂能力影响，具体的模拟分析结果如图。图5-1Cross流体颗粒相浓度随零剪切粘度的改变（a）（b）（c）图5-2陶粒在管道中分布的等值线图（a）η0=2.558pa·s（b）η0=5.2pa·s（c）η0=10.2pa·s图5-1是在不同零剪切粘度下各流体中陶粒体积分数在管道径向方向变化的比较图，观察发现在零剪切粘度越大时，管道顶部的陶粒体积分数越大；在管道中央部分，零剪切粘度对陶粒的分布基本没有影响；在管道底部靠近壁面处，陶粒的体积分数先减小后急剧增大。图5-2是各零剪切粘度不同时陶粒在管道中的浓度分布等值线图。比较三幅图可以发现，陶粒的分布在水平方向上对称，而在垂直方向上由于重力和陶粒密度的影响不是对称的；随着零剪切粘度η0的增大，管道顶部陶粒的浓度在逐渐增大，管道的中心区域面积也在增加，管道底部陶粒的体积分数随着零剪切粘度的增加而减小。管道中流体的携砂能力良好时，管道顶部会含有较多的颗粒相，管道中心区域也会越大，而底部的颗粒相则越少越好。因此，零剪切粘度越大，越有利于Cross流体携砂。在二十世纪初，爱因斯坦开创了对两相体系悬浮液粘度的研究。在一般的两相体系悬浮液中，其相对粘度总是随分数颗粒浓度的增大而增大。在稀溶液中，常常忽略分散颗粒间的相互作用，把溶液的粘度看作是各个分散颗粒对整个流体力学剪切场贡献的总和。在此基础上，对非均相流体的粘度，爱因斯坦根据流体力学的基本理论，推得的相对粘度理论公式可以简单表示为： （5-1）式中η为悬浮液的粘度；η0为连续相液体即纯溶剂的粘度；ϕ为悬浮液中分散相的体积分数；ηd为分散相的粘度。因此，在管道流动的粘度分布中，粘度越大时表明颗粒的体积分数越大。如图5-3是在不同Cross流体零剪切粘度下管道流动中的粘度分布比较图，分析此图便可以得知Cross流体携砂能力随零剪切粘度变化的规律。从图中发现，管道顶部的粘度明显最低，说明管道顶部存在最少的颗粒相，所受阻力最小；在管道中心部位时，可以很清晰的比较在零剪切粘度不同时管道流动中有效粘度的分布情况，在零剪切粘度为10.2Pa·s时，管道中心的有效粘度最大，受到的阻力也就最大，因此，管道中心携带的陶粒最多，在管道底部时便会存在较少的陶粒。说明零剪切粘度越大时，Cross流体的携砂性能越好。图5-3不同零剪切粘度下的有效粘度分布比较图5.2Cross流体幂律指数本章前两节中对Cross流体本构方程参数中的零剪切粘度和松弛时间进行了分析，并得知：零剪切粘度越大，松弛时间越小，Cross流体携砂性能越好。在本节中对Cross流体中最后一个参数幂律指数的影响进行模拟分析，流体中陶粒体积分数随幂律指数在管道径向方向的变化比较图如图5-4，陶粒在管道观测面的分布等值线图如图5-5，图5-6是不同幂律指数下管道流动中流动速度分布规律图。图5-4Cross流体颗粒相浓度随幂律指数的改变（a）（b）（c）图5-5陶粒在管道中分布的等值线图（a）n=-0.199（b）n=-0.52（c）n=-0.825图5-4是图5-5中三幅图的数值化比较结果，从中可以看出，在幂律指数越大时管道顶部的陶粒体积分数越大，管道中心区域面积越大，底部区域陶粒的体积分数也越小。图5-6不同幂律指数下管道流动的有效粘度分布比较图在图5-6中，携砂流体在管道中流动的有效粘度分布在垂直方向不是对称的，在管道底部的粘度明显高于管道顶部，因此在管道底部存在大量陶粒，增加了管道底部的粘度。从图中发现，随着幂律指数的增大，管道的有效粘度会增大。粘度越大时Cross流体的携砂效果会更好，因此，随着幂律指数的增大，Cross流体的携砂能力会增强。5.3Cross流体松弛时间在上一节中对Cross流体参数中零剪切粘度进行了计算分析，发现零剪切粘度越大，流体的携砂能力越好。在本节中松弛时间进行模拟分析，流体中陶粒体积分数随松弛时间在管道径向的变化比较图如图5-7，陶粒在管道分布中的等值线图如图5-8。图5-7与图5-8分别从颗粒相分布比较图和分布等值线图两个方面描述了Cross流体携砂性能随松弛时间的变化情况。随着松弛时间从0.1s变化到4s，明显的观察到在松弛时间为0.1s时，整个管道的中心区域面积最大，且在管道顶部颗粒的浓度最大，底部附近的陶粒相体积分数最小。因此随着Cross流体松弛时间的减小，Cross流体的携砂能力在增大。图5-7Cross流体颗粒相浓度随松弛时间的改变（a）（b）（c）图5-8陶粒在管道中分布的等值线图（a）λ=0.9899s（b）λ=0.1s（c）λ=0.4s图5-9不同松弛时间下的有效粘度分布比较图图5-9显示了不同松弛时间下管道流动中的有效粘度分布情况，从图中可以看出，管道顶部的粘度最低，说明管道顶部存在最少的颗粒相，所受阻力最小；在管道中心部位时，可以很清晰的比较出在松弛时间不同时管道流动中有效粘度的分布情况，在松弛时间为0.1s时，管道中心的有效粘度最大，受到的阻力也就最大，因此，松弛时间越小时在管道中心携带的陶粒越多，在管道底部时便会存在越少的陶粒。因此，Cross流体本构方程参数中松弛时间越小，流体的携砂能力越好。6结论本论文应用CFD基本理论，通过对固液两相流流动过程的合理分析，不但对牛顿流体、幂律流体和Cross流体的携砂性能进行比较，还考虑了流速、砂含量以及Cross流体本构方程中参数对流体携砂性能的影响。主要结论如下：（1）在本次固液两相流湍流流动研究过程中，在相同的入口流体速度下，Cross流体的携砂能力最强，幂律流体次之，牛顿流体携砂能力最差。（2）在Cross流体其他参数的设置相同时，紊流状态下平均入口速度越小，Cross流体的携砂能力越好；Cross流体的临界携砂速度小。（3）在Cross流体其他参数的设置相同时，紊流状态下陶粒在入口处的体积分数越大，Cross流体的携砂效果越好。（4）在流速和砂含量相同，只改变Cross本构方程中一特定参数值时。零剪切粘度越大，幂律指数越大，松弛时间越小时，Cross流体携砂能力越好。参考文献[1]张宏兵，陈露露，谢荣华，刘兴斌，郑希科，尚作萍.水平圆管固液两相稳态流动特性数值模拟[J].化工学报，2009，60（05）：1162-1168.[2]李飞，李永业，孙西欢.管道水力输送研究进展及工业应用[J].山西水利，2008（02）：46-48.[3]李璐.管道输煤概况及其环境效益[J].科技创新与应用，2013（27）：145-146.[4]白晓宁，胡寿根.浆体管道的阻力特性及其影响因素分析[J].流体机械，2000，28（11）：26-29.[5]赵丽娟,倪福生.管道固—液两相流研究的意义、内容和方法[J].管道技术与设备，2003（01）：3-6.[6]顾伯康.对我国管道输煤问题的探讨[J].煤炭科学技术，1995，23（01）：55-58.[7]HouShuandi(候栓弟).ExperimentResearchandNumericalSimulationof3DFlowFieldinAgitatingTank[D].Beijing:BeijingUniversityofChemicalTechnology,1997（1）.[8]张政,谢灼利.流体—固体两相流的数值模拟[J].化工学报,2001，52（01）:1-11.[9]傅旭东,王光谦.低浓度固液两相流理论分析与管流数值模拟[J].中国科学，E辑,2001,31（6）:556-565.[10]夏建新，倪晋仁.水沙流中颗粒脉动特性[J].水利学报，2003（7）:7-13.[11]杨烨，李定凯等.k-Ԑ-Ap两相湍流模型用于模拟悬浮床两相流动[J].热力发电，2003（2)：16-19.[12]刘诚，沈永明，唐军.水平方管固液两相流运动特性数值模拟[J].水利学报，2007，38（7）：767-772