冰浆流动特性模拟实验研究

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随着社会的进步以及科学技术的发展,我国的能源消耗急剧增加。空调系统的普及更是加剧了峰谷期间用电的不均衡性,造成了能源的大量浪费。为了实现电力“移峰填谷”,提高能源利用率,蓄冷技术成为了节能环保领域的研究热点。其中,冰浆作为一种新型环保的蓄冷、载冷固液两相流体,因其优良的流动和换热特性,在冰蓄冷领域有着广阔的应用前景,受到了学者们的广泛关注。与单相流的流动不同,在冰浆的流动过程中,冰晶颗粒会发生融化、破碎、聚集等现象,使得冰浆在流动特性方面尚未得出统一的结论,这让冰浆在实际应用上面受到了一定的限制。由于冰晶颗粒的尺寸在制取时难以控制、在流动过程中又会不断变化,给冰浆流动的基础理论研究带来了巨大的困难。因此,本文聚焦冰晶颗粒尺寸对冰浆类固液两相流流动特性的影响进行了模拟实验研究。(1)为控制固相颗粒尺寸,选用聚乙烯颗粒(密度为922kg/m~3)作为冰晶(密度为920kg/m~3)的替代颗粒,模拟冰浆在水平圆管内的流动。考虑固相粒径、流速、固相含量以及管径等因素,设计并搭建了冰浆类固液两相流流动实验平台,研究不同因素对混合浆体流动形态、流动压降以及流变特性的影响。(2)结合混合浆体流动形态的转化以及流动压降的变化进行分析,可以发现,在固相粒径一定的情况下,增大固相含量或减小管径,虽然有助于混合浆体趋于悬浮流动,却会增大混合浆体的流动阻力。减小固相粒径,可以在提高混合浆体输运安全性的同时减少输运过程中的能量损失。因此,在冰浆的实际应用工程中应尽可能缩小冰晶颗粒的尺寸。(3)本文采用Bingham和Power Law模型相结合的方法对混合浆体的流变特性进行分析。结果表明,该方法能够较为准确地得到混合浆体的屈服应力。固相含量和管径是影响浆体流变系数的主要因素,流变系数会随着固相含量的增大而增大,随管径的增大而减小,当固相含量逐渐增多时,固相粒径对流变系数的影响会逐渐减弱。混合浆体的流变指数总是大于1,浆体表现为剪切增稠流体。(4)基于Bingham模型和Power Law模型,分别预测了混合浆体在不同流速范围内的流动阻力系数。结果表明,Power Law模型能够较为精确地预测混合浆体在较高流速下的阻力系数,预测值与实验值之间的相对误差能够控制在?12%以内。
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