CC BY
15Определение критической скорости водоугольного топлива (ВУТ) с учетом турбулентности
о сч
0 сч
сч
01
Сергеев Станислав Алексеевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», stanislav_sergeev91@mail.ru
Волгина Людмила Всеволодовна,
кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», volgin-gv@mail.ru
Одним из практических вопросов при решении инженерных задач гидротранспорта является определение критической скорости двухфазного потока. На настоящий момент теоретическое решение вопроса определения критической скорости не дало практических результатов, т.к. движение двухфазного потока отличается от движения потока воды. Наличие твердых частиц оказывает влияние на распределение осредненных скоростей и плотностей (консистенции) по живому сечению потока, пульсационные характеристики потока и т.д. В настоящей работе рассматривается определение критической скорости для двухфазного потока в рамках реконструкции котлоагрегатов для использования ВУТ из угольного шлама в качестве основного или дополнительного вида топлива. Для учета турбулентности двухфазного потока был предложен метод квадрантов, позволяющий качественно и количественно проанализировать процесс переноса масс в каждой точке потока. Ключевые слова: турбулентность, ВУТ, критическая скорость, метод квадрантов.
Условие существования двухфазных потоков - движение, где величина критической скорости является важнейшим критерием работы гидротранспортных систем. Скорость движения, при которой поток полностью использует транспортирующую способность называется критической скоростью Укр. При данном значении скорости, основная масса частиц передвигается вблизи дна и состояние потока характеризуется наибольшей неравномерностью распределения твердых частиц по живому сечению потока. При меньшем значении скорости (V <Укр) происходит выпадение частиц на дно (заиление дна потока), при больших значениях скорости, чем критическая, поток обладает избыточной энергией и происходит изменение характера распределения частиц по живому сечению потока [1].
В рамках реконструкции котлоагрегатов предполагается переход котельной на водоугольное топливо, в связи с чем возникла необходимость в непрерывном транспортировании угля на расстояние более 500м по трубопроводу. Гранулометрический состав транспортируемой гидросмеси представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 менее 156 мкм - 50% (D90).
- Гранулометрический состав. Частиц размером мкм - 10% (D10), частицы размером менее 294 (D50), частицы размером менее 483 мкм - 90%
О Ш
m х
<
m о х
X
В настоящей работе рассматривается определение критической скорости для двухфазного потока в рамках реконструкции котлоагрегатов для использования ВУТ из угольного шлама в качестве основного или дополнительного вида топлива. Исходя из требуемой производительности котлоагрегатов, был определен рабочий диаметр трубопровода для обеспечения необходимого объема гидросмеси для бесперебойной работы котельной, который составил й=398 мм. Также исходными данными для расчета являлись Бр = 0,46 - объемная расходная консистенция ВУТ (двухфазного потока).
Поскольку насыщение потока твердыми частицами достаточно высокое, допустимо принять Бр = Б (где Б -объемная действительная консистенция).
Критическая скорость икр определялась по зависимости А.Е. Смолдырева:
икр = 3.1 u* D
aSg
1(1 + aS)dci
a =
Рте ~Ре Ре
(1)
(2)
где и* - динамическая скорости потока, Б - объемная действительная консистенция, D - диаметр трубопровода, бср - средневзвешенный диаметр частиц, определенный по гранулометрическому составу, в соответствии с рисунком 1.
Стоит отметить, что данная зависимость не учитывает турбулентность, в то время как поток гидросмеси, как и всякий турбулентный поток характеризуется наличием пульсаций скоростей и давлений в точках потока. Степень влияния твердых частиц на турбулентные характеристики потока различна и зависит от консистенции потока: при невысокой консистенции наличие твердых частиц может приводить к увеличению интенсивности пульсаций скорости, при больших значениях консистенции - к их уменьшению.
Для учета эффекта турбулентности было предложено использовать один из методов статистической оценки турбулентных потоков - квадратный анализ [2-4], где пульсации скорости представляются в виде графика, как показано на рисунке 2. Использование метода квадрантов позволяет анализировать процесс переноса масс в каждой точке потока.
В
Рисунок 2 - Определение квадрантов
где Q1 (/ = 1, П'х > 0, и[> 0), Q2 (/ = 2,
Ых < 0, Ыг > 0) , Q3 (/ = 3, их < 0, Ыг < 0) , Q4 (/ =
4, их > 0,ы2 < 0) .
По результатам анализа экспериментов [5, 6] по оценке вклада каждого из квадрантов в общий процесс переноса масс была предложена формула:
и-<4Л1'
где С - коэффициент, учитывающий вес квадранта.
Учет турбулентности приводит к снижению уровня критической скорости, что в том числе позволяет решить вопрос повышения надежности работы всей системы не только путем резервирования дополнительного оборудования и трубопроводов. С использованием анализа квадрантов величина критической скорости снизилась на 15% процентов, что существенно, и показывает необходимость учета турбулентности при расчете двухфазных потоков.
Тем не менее стоит учитывать, что попытки создать обобщающие зависимости пока не привели к появлению универсальных зависимостей, т.к. в каждом конкретном случае величина критической скорости связана с характеристиками частиц, которые математически удовлетворительно не описываются, а выделение какой-либо одной характеристики приводит к грубым ошибкам при решении инженерных задач.
Литература
1. Тарасов В.К., Гусак Л.Н., Волгина Л.В. Движение двухфазных сред и гидротранспорт. М. : МГСУ, 2012. 92 с.
2. Breugem A. Transport of suspended particles in turbulent open channel flow. - Delft University of Technology, Institutional Repository, Netherlands. 2012. -p. 11-14.
3. Subhasish D. Fluvial Hydrodynamics: Hydrodynamic and Sediment Transport Phenomena -GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences, New Delhi, India, 2014. - p.158-162.
4. Lu SS, Willmarth WW. Measurements of the structures of the Reynolds stress in a turbulent boundary layer. -1973. - J Fluid Mech 60: p. 481-511.
5. Сергеев С.А. Статистическая оценка турбулентных касательных напряжений с помощью метода квадрантов/Сергеев С.А., Волгина Л.В.//Научное обозрение. - 2017. - № 14. - С. 11-13;
6. Сергеев С.А. Анализ формы когерентных структур в турбулентном потоке с помощью метода квадрантов / Сергеев С.А., Волгина Л.В. // Инновации и инвестиции. - 2018. - № 1. - С. 232-234.
Critical velocity of water-coal fuel (VUT) under turbulence Sergeev S.A., Volgina L.V.
National research Moscow State University of Civil Engineering Determination of the critical velocity of a two-phase flow is one of the practical issues in solving engineering problems of hydraulic transport. The movement of a two-phase flow is different from the movement of a water flow. Theoretical solution to the problem of determining the critical velocity did not give practical results.
The presence of solid particles affects the distribution of averaged velocities and densities (consistencies) over the living cross section of the flow, pulsation characteristics of the flow, etc. In this paper, we consider the determination of the critical velocity for a two-phase flow in the framework of the reconstruction of boiler units for the use of HLF from coal slurry as the main or additional type of fuel. To account for the turbulence of a two-phase flow, a quadrant method was proposed that allows a qualitative and quantitative analysis of the mass transfer process at each point of the flow. Keywords: Turbulence, VUT, critical velocity, quadrant method References
1. Tarasov V.K., Gusak L.N., Volgina L.V. The movement of two-
phase media and hydraulic transport. M.: MGSU, 2012.292 s.
2. Breugem A. Transport of suspended particles in turbulent open
channel flow. - Delft University of Technology, Institutional Repository, Netherlands. 2012. - p. 11-14.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
3. Subhasish D. Fluvial Hydrodynamics: Hydrodynamic and Sediment Transport Phenomena - GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences, New Delhi, India, 2014 .-- p. 158-162.
4. Lu SS, Willmarth WW. Measurements of the structures of the
Reynolds stress in a turbulent boundary layer. -1973. - J Fluid Mech 60: p. 481-511.
5. Sergeev S.A. Statistical estimation of turbulent tangential stresses using the quadrant method / Sergeev S.A., Volgina L.V.// Scientific Review. - 2017. - No. 14. - S. 11-13;
6. Sergeev S.A. Analysis of the shape of coherent structures in a
turbulent flow using the quadrant method / Sergeev S.A., Volgina L.V. // Innovation and investment. - 2018. - No. 1. - S. 232-234;
o
CN O CN
CN
O m m x
<
m o x
X
