化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (5): 2389-2400.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1257
王衍1(), 曹志康1, 王英尧1, 胡琼1(), 胡鹏1, 肖业祥2
收稿日期:
2020-08-08
出版日期:
2021-05-06
发布日期:
2021-05-24
通讯作者:
胡琼
作者简介:
王衍(1989—),男,博士,副教授,研究方向为流体机械与密封技术。E-mail:基金资助:
WANG Yan1(), CAO Zhikang1, WANG Yingyao1, HU Qiong1(), HU Peng1, XIAO Yexiang2
Received:
2020-08-08
Online:
2021-05-06
Published:
2021-05-24
Contact:
HU Qiong
摘要:
鉴于目前高速旋流场中的流体流态判定准则不统一、预测模型契合度不高的问题,依据流体力学基本原理及管道、缝隙流场的判定方法,本文对经典一维雷诺数及二维流量因子预测模型进行了理论重构,并尝试提出了适用于旋转流场中流体流态判定和预测的椭球模型。文章首先根据经典雷诺数模型和流动因子模型,对仿真计算和椭球模型进行了理论验证;然后对不同介质和工况参数下的速度场进行了分析计算,并与相关文献进行对比研究;最后结合对旋转流场中拐点的理论剖析,对椭球模型的合理性和科学性进行了论证,并对模型中速度分量的选择及差异性进行了讨论。结果表明:椭球模型对管道流动的预测结果与经典雷诺数模型完全一致,新模型对旋转流场中转折点的预测值较传统模型明显偏低,与实际工况更加贴近;根据椭球模型进行旋转流场的流态判定时,应选择平均直径处的线速度为剪切平均速度、进出口径向速度平均值为径向平均速度及最大轴向速度为模型输入因子。椭球模型的提出,为旋转流场在理论计算时如何科学判定流体流态提供了新的思路和判定方法。
中图分类号:
王衍, 曹志康, 王英尧, 胡琼, 胡鹏, 肖业祥. 旋转流场流态预测模型验证及其速度分量选择的差异性[J]. 化工进展, 2021, 40(5): 2389-2400.
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管长l/mm | 管径d/mm | 介质 | 密度/kg·m-3 | 黏度/Pa·s |
---|---|---|---|---|
800 | 20 | 水 | 1000 | 0.001 |
空气 | 1.29 | 1.86×10-5 | ||
表2 管流模型验证的相关参数
管长l/mm | 管径d/mm | 介质 | 密度/kg·m-3 | 黏度/Pa·s |
---|---|---|---|---|
800 | 20 | 水 | 1000 | 0.001 |
空气 | 1.29 | 1.86×10-5 | ||
Re | λ | 说明 | |||
---|---|---|---|---|---|
0.0014 | 0.0024 | 50 | 1000 | 0.25 | Rea<2300,层流区 |
0.0018 | 0.0037 | 60 | 1200 | 0.30 | |
0.0022 | 0.0051 | 70 | 1400 | 0.35 | |
0.0027 | 0.0067 | 80 | 1600 | 0.40 | |
0.0031 | 0.0082 | 90 | 1800 | 0.45 | |
0.0035 | 0.0098 | 100 | 2000 | 0.50 | |
0.0040 | 0.0115 | 110 | 2200 | 0.55 | |
0.0044 | 0.0131 | 120 | 2400 | 0.60 | 2300≤Rea≤4000 过渡区 |
0.0047 | 0.0147 | 130 | 2600 | 0.65 | |
0.0050 | 0.0164 | 140 | 2800 | 0.70 | |
0.0054 | 0.0180 | 150 | 3000 | 0.75 | |
0.0057 | 0.0197 | 160 | 3200 | 0.80 | |
0.0059 | 0.0213 | 170 | 3400 | 0.85 | |
0.0062 | 0.0229 | 180 | 3600 | 0.90 | |
0.0065 | 0.0245 | 190 | 3800 | 0.95 | |
0.0067 | 0.0261 | 200 | 4000 | 1.00 | |
0.0069 | 0.0277 | 210 | 4200 | 1.05 | Rea>4000湍流区 |
0.0072 | 0.0293 | 220 | 4400 | 1.10 | |
0.0074 | 0.0309 | 230 | 4600 | 1.15 |
表3 管流中三类模型判定值对比(水)
Re | λ | 说明 | |||
---|---|---|---|---|---|
0.0014 | 0.0024 | 50 | 1000 | 0.25 | Rea<2300,层流区 |
0.0018 | 0.0037 | 60 | 1200 | 0.30 | |
0.0022 | 0.0051 | 70 | 1400 | 0.35 | |
0.0027 | 0.0067 | 80 | 1600 | 0.40 | |
0.0031 | 0.0082 | 90 | 1800 | 0.45 | |
0.0035 | 0.0098 | 100 | 2000 | 0.50 | |
0.0040 | 0.0115 | 110 | 2200 | 0.55 | |
0.0044 | 0.0131 | 120 | 2400 | 0.60 | 2300≤Rea≤4000 过渡区 |
0.0047 | 0.0147 | 130 | 2600 | 0.65 | |
0.0050 | 0.0164 | 140 | 2800 | 0.70 | |
0.0054 | 0.0180 | 150 | 3000 | 0.75 | |
0.0057 | 0.0197 | 160 | 3200 | 0.80 | |
0.0059 | 0.0213 | 170 | 3400 | 0.85 | |
0.0062 | 0.0229 | 180 | 3600 | 0.90 | |
0.0065 | 0.0245 | 190 | 3800 | 0.95 | |
0.0067 | 0.0261 | 200 | 4000 | 1.00 | |
0.0069 | 0.0277 | 210 | 4200 | 1.05 | Rea>4000湍流区 |
0.0072 | 0.0293 | 220 | 4400 | 1.10 | |
0.0074 | 0.0309 | 230 | 4600 | 1.15 |
Re | λ | 说明 | |||
---|---|---|---|---|---|
0.0189 | 0.1360 | 700 | 970.97 | 0.24 | Rea<2300, 层流区 |
0.0275 | 0.1067 | 900 | 1248.39 | 0.31 | |
0.0363 | 0.2875 | 1100 | 1525.81 | 0.38 | |
0.0449 | 0.2299 | 1300 | 1803.23 | 0.45 | |
0.0534 | 0.2814 | 1500 | 2080.65 | 0.52 | |
0.0616 | 0.4879 | 1700 | 2358.06 | 0.59 | 2300≤Rea≤4000 过渡区 |
0.0687 | 0.5708 | 1900 | 2635.48 | 0.66 | |
0.0755 | 0.3491 | 2100 | 2912.90 | 0.73 | |
0.0815 | 0.3629 | 2300 | 3190.32 | 0.80 | |
0.0871 | 0.4347 | 2500 | 3467.74 | 0.87 | |
0.0923 | 0.5172 | 2700 | 3745.16 | 0.94 | |
0.0972 | 0.6076 | 2900 | 4022.58 | 1.01 | Rea>4000 湍流区 |
0.1018 | 0.7070 | 3100 | 4300.00 | 1.08 | |
0.1063 | 0.8353 | 3300 | 4577.42 | 1.14 | |
0.1105 | 0.9367 | 3500 | 4854.84 | 1.21 | |
0.1147 | 1.0440 | 3700 | 5132.26 | 1.28 | |
0.1190 | 1.1777 | 3900 | 5409.68 | 1.35 |
表4 管流中三类模型判定值对比(空气)
Re | λ | 说明 | |||
---|---|---|---|---|---|
0.0189 | 0.1360 | 700 | 970.97 | 0.24 | Rea<2300, 层流区 |
0.0275 | 0.1067 | 900 | 1248.39 | 0.31 | |
0.0363 | 0.2875 | 1100 | 1525.81 | 0.38 | |
0.0449 | 0.2299 | 1300 | 1803.23 | 0.45 | |
0.0534 | 0.2814 | 1500 | 2080.65 | 0.52 | |
0.0616 | 0.4879 | 1700 | 2358.06 | 0.59 | 2300≤Rea≤4000 过渡区 |
0.0687 | 0.5708 | 1900 | 2635.48 | 0.66 | |
0.0755 | 0.3491 | 2100 | 2912.90 | 0.73 | |
0.0815 | 0.3629 | 2300 | 3190.32 | 0.80 | |
0.0871 | 0.4347 | 2500 | 3467.74 | 0.87 | |
0.0923 | 0.5172 | 2700 | 3745.16 | 0.94 | |
0.0972 | 0.6076 | 2900 | 4022.58 | 1.01 | Rea>4000 湍流区 |
0.1018 | 0.7070 | 3100 | 4300.00 | 1.08 | |
0.1063 | 0.8353 | 3300 | 4577.42 | 1.14 | |
0.1105 | 0.9367 | 3500 | 4854.84 | 1.21 | |
0.1147 | 1.0440 | 3700 | 5132.26 | 1.28 | |
0.1190 | 1.1777 | 3900 | 5409.68 | 1.35 |
外径ro /mm | 内径ri /mm | 膜厚h /μm | 介质压力 /MPa | 环境压力 /MPa | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 3 | 0.5 | 0.103 | 水 | 1000 | 0.001 |
空气 | 1.29 | 1.86×10-5 | |||||
表5 旋转流模型验证相关参数
外径ro /mm | 内径ri /mm | 膜厚h /μm | 介质压力 /MPa | 环境压力 /MPa | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 3 | 0.5 | 0.103 | 水 | 1000 | 0.001 |
空气 | 1.29 | 1.86×10-5 | |||||
外径ro /mm | 内径ri /mm | 槽深hg /mm | 膜厚h /mm | 介质 压力po /MPa | 环境 压力pi /MPa | 转速N /r·min-1 | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 3 | 9 | 4 | 0.103 | 0~5000 | 水 | 1000 | 0.001 |
表6 上游泵送机械密封相关参数
外径ro /mm | 内径ri /mm | 槽深hg /mm | 膜厚h /mm | 介质 压力po /MPa | 环境 压力pi /MPa | 转速N /r·min-1 | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 3 | 9 | 4 | 0.103 | 0~5000 | 水 | 1000 | 0.001 |
外径ro /mm | 内径ri /mm | 槽深hg /μm | 膜厚h /μm | 介质 压力po /MPa | 环境 压力pi /MPa | 转速N /r·min-1 | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 5 | 5 | 1 | 0.103 | 1×103~1×105 | 空气 | 1.29 | 1.86×10-5 |
表7 干气密封相关参数
外径ro /mm | 内径ri /mm | 槽深hg /μm | 膜厚h /μm | 介质 压力po /MPa | 环境 压力pi /MPa | 转速N /r·min-1 | 介质 | 密度 /kg·m-3 | 黏度 /Pa·s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
77.78 | 58.42 | 5 | 5 | 1 | 0.103 | 1×103~1×105 | 空气 | 1.29 | 1.86×10-5 |
模型 | 上游泵送临界转速/103r·min-1 | 干气密封临界转速/104r·min-1 | ||
---|---|---|---|---|
层流 | 湍流 | 层流 | 湍流 | |
Re | 18 | 31 | 39 | 67 |
ξ | 7 | 13 | 15 | 27 |
λ | — | — | 0.5 | 0.8 |
表8 对应工况下的模型判定结果
模型 | 上游泵送临界转速/103r·min-1 | 干气密封临界转速/104r·min-1 | ||
---|---|---|---|---|
层流 | 湍流 | 层流 | 湍流 | |
Re | 18 | 31 | 39 | 67 |
ξ | 7 | 13 | 15 | 27 |
λ | — | — | 0.5 | 0.8 |
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