【摘 要】
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近年来新能源开发成为热门课题,地热能作为典型的可持续能源备受关注。地热开采的过程中管道内极易沉积污垢,在造成能源浪费和经济损失的同时也会危害设备安全。污垢的形成机
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近年来新能源开发成为热门课题,地热能作为典型的可持续能源备受关注。地热开采的过程中管道内极易沉积污垢,在造成能源浪费和经济损失的同时也会危害设备安全。污垢的形成机理十分复杂,实际工程中污垢沉积问题一直无法完全解决。本文采用计算流体力学(CFD)方法,选取地热开采管道中颗粒型污垢和析晶型污垢进行研究,对其沉积过程进行数值模拟和分析。开展的主要工作如下:(1)颗粒型污垢沉积机理分析和模拟。在确定参数时将颗粒型污垢沉积过程分为输运和沉积两个阶段得到了一套实用的参数确定方法。对于模拟过程中选取的几组较大粒径,采用两相流模型计算时考虑了颗粒间的碰撞,引入简化的颗粒动力学理论,依此得出的结论更为真实。(2)析晶型污垢沉积机理分析。将析晶型污垢(CaCO3)沉积过程分为沉积和剥蚀两个同时发生的步骤,依此建立了析晶型污垢沉积速率、剥蚀速率、热阻及密度与垢层厚度和温度间的关系并给出了计算方法。数学模型选用标准k-ε模型确定管内流场;一级化学反应方程用以表征污垢生长;壁面表面反应模型用以近壁处理建立完整的模型。(3)两种污垢物理模型的建立。基于多次模拟计算实验确定2D直管和均匀网格适合作为两种污垢的物理模型并给出了具体原因。以阻力和Nu值为观测指标对析晶型污垢数值模拟的可靠性进行了检验,确认建立的模型符合工程要求。(4)颗粒型污垢数值模拟。利用FLUENT软件模拟了不同流体平均流速和不同颗粒粒径时颗粒型污垢在二维直管内的沉积情况,得到了固定截面处管道内沙相组分和沙相速度分布曲线并对曲线作出分析。(5)析晶型污垢数值模拟。利用FLUENT软件模拟了不同流体浓度和不同平均流速时析晶型污垢在直管内的沉积情况。结合模拟结果和实际沉积速率确定方法制作了不同流体浓度和平均流速时污垢沉积速率和剥蚀速率随时间变化曲线并对曲线作出分析。
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