Notice: Undefined index: linkPowrot in C:\wwwroot\wwwroot\publikacje\publikacje.php on line 1275
Strona główna > Publikacje
Publikacje
Pomoc (F2)
[17095] Artykuł:

Influence of Coarse-Dispersive Solid Phase on the ‘Particles-Wall’ Shear Stress in Turbulent Slurry Flow with High Solid Concentration

(Wpływ grubodyspersyjnej fazy stałej na naprężenie styczne 'cząstki - ściana' w turbulentnym przepływie hydromieszaniny dla wysokich koncentracji fazy stałej)
Czasopismo: The Archive of Mechanical Engineering / Archiwum Budowy Maszyn   Tom: 57, Zeszyt: 1, Strony: 45-68
ISSN:  0004-0738
Opublikowano: 2010
 
  Autorzy / Redaktorzy / Twórcy
Imię i nazwisko Wydział Katedra Procent
udziału		 Liczba
punktów
Artur Bartosik orcid logoWZiMKKatedra Inżynierii Produkcji1009.00  

Grupa MNiSW:  Publikacja w recenzowanym czasopiśmie wymienionym w wykazie ministra MNiSzW (część B)
Punkty MNiSW: 9

Pełny tekstPełny tekst     Web of Science LogoYADDA/CEON    
Słowa kluczowe:

przepływ turbulentny hydromieszaniny  naprężenie styczne cząstki - ściana 

Keywords:

turbulent slurry flow  particles-wall shear stress 


Streszczenie:

Artykuł dotyczy symulacji w pełni rozwiniętego, osiowo-symetrycznego przepływu turbulentnego grubodyspersyjnej hydromieszaniny z cząstkami stałymi o podobnym wymiarze i kształcie, o średnicy od 1 [mm] do 5 [mm], gęstości cząstek od 1045 [kg/metr sześcienny] do 3000 [kg/metr sześcienny] i objętościowej koncentracji fazy stałej od 20% do 40%. W pracy zbadano wpływ średnicy cząstek stałych na dodatkowe naprężenia styczne w przepływającej hydromieszaninie będące wynikiem interakcji 'cząstki stałe-ściana' dla umiarkowanych i wysokich koncentracji fazy stałej. Model matematyczny powstał na bazie koncepcji Bagnolda i zakłada, że całkowite naprężenie styczne na ściance przewodu równe jest sumie naprężenia 'ciecz-ściana' i 'cząstki stałe-ściana'. Model matematyczny pozwala na przewidywanie: naprężeń stycznych 'cząstki stałe-ściana', spadku ciśnienia oraz współczynnika strat tarcia w turbulentnym przepływie grubodyspersyjnej hydromieszaniny. Model matematyczny pozytywnie zweryfikowano z wynikami własnych badań eksperymentalnych dla grubodyspersyjnej hydromieszaniny typu: 'piasek-woda', 'polistyren-woda' i 'pvc-woda'. Wyniki symulacji przedstawiają jakościową i ilościową zależność naprężeń stycznych 'cząstki stałe-ściana' od średnicy cząstki stałej, gęstości cząstki stałej, objętościowej koncentracji fazy stałej i liczby Reynoldsa dla fazy nośnej. Wykazano, że średnica cząstek stałych ma zasadniczy wpływ na naprężenie styczne 'cząstki stałe-ściana'. Wykazano także, że dla określonych warunków przepływu naprężenie styczne 'cząstki stałe-ściana' znacznie przewyższa naprężenie styczne 'faza nośna-ściana'.



Abstract:

The paper concerns simulation of fully developed and axially-symmetrical turbulent flow of coarse-dispersive slurry if all solid particles have similar size and shape with particles diameter from 1 mm to 5 mm, solid density from 1045 kg/cubic metre to 3000 kg/cubic metre, and solid concentration by volume from 20% to 40%. The author examines the influence of particle diameter on additional shear stress due to the 'particles-wall' interactions for moderate and high solid concentration. The mathematical model was developed using Bagnold's concept, and assumes that the total wall shear stresses are equal to the sum of 'liquid-wall' and 'particles-wall' shear stresses. The mathematical model was successfully verified with own measurements of frictional head loss in vertical coarse - dispersive slurry flow, named: 'sand-water', 'polystyrene-water and 'pvc-water'. The mathematical model can predict 'particles-wall' shear stress, pressure drop and friction factor for coarse-dispersive turbulent slurry flow in a pipe. The aim of the paper is to present qualitative and quantitative dependence of solid particle diameter, solid particle density, solid concentration, and Reynolds number for carrier liquid phase on the 'particles-wall' shear stress. It is demonstrated that the solid particle diameter plays crucial role in its dependence on the 'particles-wall' shear stress. It was proved that in particular flow conditions the 'particles-wall' shear stress is much higher compared to the carrier liquid wall shear stress.


B   I   B   L   I   O   G   R   A   F   I   A
[1] Wilson K.C., Addie G.R., Sellgren A., Cliff R.: Slurry transport using centrifugal pumps. Springer Science, 2006.
[2] Shook C.A., Roco M.C.: Slurry Flow: Principles and practice. Boston, Butterworth-Heinemann, 1991.
[3] Bartosik, A.: Laminarisation effect in fine-dispersive slurry flow. Archives of Thermodynamics, 2008, vol. 29. No. 3, pp. 69-82.
[4] Bartosik A.: Application of rheological models in prediction of turbulent slurry flow. Flow, Turbulence and Combustion, Springer-Verlag, 2009, vol. 84, No. 2, pp. 277-293.
[5] Doron P., Barnea D.: Flow pattern maps for solid liquid flow in pipes. Int. J. Multiphase Flow, 1996, vol. 22, pp. 273-283.
[6] Televantos Y., Shook C.A., Carleton A.: Street, M.: Flow of slurries of coarse particles at high solid concentration. Can. J. Chem. Eng., 1979, vol. 57, pp. 255-262.
[7] Wasp E.J., Kenny J.P., Gandhi R.L.: Solid-liquid flow slurry pipeline transportation. Ser. on Bulk Materials Handling, Trans. Tech. Publications, Germany, 1999.
[8] Gillies R.G., Shook C.A.. Wilson K.C.: An improved two-layer model for horizontal slurry pipeline flow. Can. J. Chemical Engng., 1991, vol. 69, pp. 173-178.
[9] Gillies R.G., Shook C.A., Xu J.H.: Modelling heterogeneous slurry flows at high velocities. Can. J. Chemical Engng., 2004, vol. 82, No. 5, pp. 1060-1065.
[10] Bartosik A.: Modelling the Bagnold stress effects in vertical slurry flow. J. Hydrology and Hydromechanics, 1996, vol. 44, No. I, pp. 48-57.
[11] Bartosik A.: Modification of k-ε model for slurry flow with the yield stress, Proc. 10th Int. Conf. Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow. Editors: C.Taylor, J.T. Cross, Pineridge Press, UK., 1997, vol. 10, pp. 265-274.
[12] Mishra R., Singh S.N., Seshadri V.: Improved model for the prediction of pressure drop and velocity field in multi-sized particulate slurry flow through horizontal pipes. Powder Handling Processing, 1998, vol. 10, No. 3, pp. 279-287.
[13] Wilson K.C., Thomas A.D.: Analytic model of laminar-turbulent transition for Bingham plastics. Canadian J. Chem. Eng., 2006, vol. 84, No. 5, pp. 520-526.
[14] Talmon A.M.: Boundary layer theory for solid-liquid mixtures tested against Couette flow. Proceed. 14th Int. Conf. Transport and Sedimentation of Solid Particles, 23-27 June, 2008, St. Petersburg, pp. 293-300.
[15] Bagnold R.A.: Experiments on a gravity-free dispersion of large solids spheres in a Newtonian fluid under shear. Proc. Roy. Soc., 1954, vol. 225, Ser. A, pp. 49-63.
[16] Nasr-El-Din H., Shook C.A., Colwell J.: A conductivity probe for measuring local concentrations in slurry systems. Int. J. Multiphase Flow, 1987, vol. 13, pp. 365-378.
[17] Sumner R.J., McKibben M., Shook C.A.: Concentration and velocity distribution in turbulent vertical slurry flow. J. Solid Liquid Flow, 1991, vol. 2, No. 2, pp. 33-42.
[18] Eskin D., Miller M.J.: A model of non-Newtonian slurry flow in a fracture. Powder Technology, 2008, vol. 182, pp. 313-322.
[19] Kuboi R., Komasawa I., Otake T.: Fluid and particle motion in turbulent dispersion-II - influence of turbulence of liquid on the motion of suspended particles. Chem. Eng. Sci., 1974, vol. 29, pp. 651-657.
[20] Schreck S., Kleis S.J.: Modification of grid-generated turbulence by solid particles, J. Fluid Mech., 1993, vol. 249, pp. 665-688.
[21] Nouri J.M., Whitelaw J.H.: Particle velocity characteristics of dilute to moderately dense suspension flows in stirred reactors. Int. J. Multiphase Flow, 1992, vol. 18, No. 1, pp. 21-33.
[22] Chen R.C., Kadambi J.R.: Discrimination between solid and liquid velocities in slurry flow using Doppler Velocimeter. ASME, Powder Technology, 1995, vol. 85, pp. 127-134.
[23] Gore R.A., Crowe C.T.: Modulation of turbulence by a dispersed phase. ASM, J. Fluid Engng., 1991, vol. 113, pp. 304-307.
[24] Fessler J.R., Eaton J.K.: Turbulence modification by particles in a backward-facing step flow. J. Fluid Mech., 1999, vol. 394. pp. 97-117.
[25] Sundaresan S., Eaton J., Koch D.L., Ottino J.M.: Appendix 2: Report of study group on disperse flow. Int. J. Multiphase Flow, 2003, vol. 29, pp. 1069-1087.
[26] Shook C., Bartosik A.: Particle-wall stresses in vertical slurry flows. Powder Technology. Elsevier Science, 1994, vol. 81. pp. 117-124.
[27] Longwell P.A.: Mechanics of fluid flow. New York: Mc Graw-Hill, 1966.
[28] Matousek V.: Pressure drop and flow patterns in sand-mixture pipes. Experimental, Thermal and Fluid Science, 2002, vol. 26, pp. 693-702.
[29] Bartosik A.: Badania symulacyjne i eksperymentalne osiowo-symetrycznego przepływu drobno- i grubodyspersyjnej hydromieszaniny w przewodach tłocznych. Monografia M-11, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2009.

POWRÓT
Strona główna > Publikacje