[发明专利]一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法

说明书

本发明公开了一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，包括如下步骤：（1）求解紊流流场基本特征；（2）求解径向脉动速度的出现频率；（3）求解脉动流体对颗粒的拖曳作用；（4）求解存在于管壁附近颗粒的比例；（5）求解管壁附近颗粒沉积管壁的比例；（6）求解紊流管流中颗粒沉积速率；（7）求解紊流管流中颗粒的穿过比例。本发明所公开基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，通过分析颗粒群达到管壁的比例来计算颗粒群的沉积速率。基于离散相在紊流流场中的分布规律与响应，计算离散相处于管壁附近流场以及达到管壁的比例，进而计算所有离散相沉积管壁的速率。

技术领域

本发明属于管道内颗粒沉积过程的分析方法领域，特别涉及该领域中的一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法。

背景技术

紊流管道中颗粒在流体作用下沉积于管壁是一个复杂的过程，涉及到管壁附近流场紊动、颗粒在紊动流体中的响应、以及大规模颗粒群的整体运动等问题。在油气输送、锅炉结垢、烟气净化以及反应堆冷却等诸多工业领域中均涉及该过程。因此，采取一种简单且有效的方法分析紊流管道内离散颗粒的沉积过程，计算离散颗粒的沉积速率与穿过比例，对指导许多工业领域的装备设计、保养维护具有重要意义。

现有分析管道内颗粒沉积过程的方法主要有两种。第一种方法基于传统的管道内紊流理论，认为离散颗粒的沉积过程主要是由流体紊动与分子扩散引起的。这些方法通常将近壁流场分为粘性底层、过渡区和紊流核心区。通过分析不同区域之间的颗粒浓度变化来计算管壁上颗粒的沉积速率。此类方法并不从微观尺度上研究颗粒的真实运动，通常认为离散颗粒的扩散率与紊流扩散率呈正比例关系，因此需要引入大量的经验参数，影响了该方法的适用范围与计算精度。第二种方法基于计算流体力学的方法模拟管道内流场，在流场中释放大量离散颗粒并使用拉格朗日方法跟踪颗粒群，通过记录单位时间单位面积上穿过壁面的离散相轨迹的数量来计算颗粒的沉积速率，通过跟踪未到达管壁的离散相的传输过程来计算颗粒的穿过比例。由于详细分析了颗粒沉积过程中的每一个细节，该方法操作较为复杂，一般需要划分网格、迭代运算，在计算过程中需要耗费较大的计算资源，因此并不适用于工程运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于比例研究的管道内颗粒沉积过程的新分析方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)求解紊流流场基本特征：

紊流管道的雷诺数Re为：

式中V_m为管流平均速度，D为管道直径，ρ_f为流体密度，μ_f为流体粘性；

管道的摩阻系数f为：

管流的摩阻流速v_*为：

(2)求解径向脉动速度的出现频率：

设脉动速度v′_r的出现频率为：

其中e为自然常数；

(3)求解脉动流体对颗粒的拖曳作用：

颗粒在脉动流体中的运动方程为：