液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究.pdf

第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究李卓伦1,王磊1,雷刚2,陈强2,马原1,厉彦忠1(1.西安交通大学制冷与低温工程系,7 1 0 0 4 9,西安;2.航天低温推进剂技术国家重点实验室,1 0 0 0 2 8,北京)摘要:为揭示液氢管流静电产生机理与积累规律,以液氢流-固空颗粒二元体系为对象,选择O p e n F OAM开源软件,通过添加固空颗粒受力模型、摩擦起电模型、低电导率流体起电模型、颗粒带电模型等,实现了仿真软件的功能拓展。通过耦合多相质点网格法满足了液固两相流场-电场的耦合求解。数值仿真了固空颗粒在带电液氢管流中的电荷积累过程,探讨了固空颗粒粒径、空气含量对管流系统电量积累的影响。研究结果发现,当液氢流速为3m/s时,纯液氢饱和电荷密度约1.3 5 81 0-7C/m3,而固空颗粒引起的电荷密度较之高3个数量级。相较于纯液氢管流,含固空颗粒的液氢管流静电风险更大。当固空粒径为0.1mm时,大部分固空颗粒带电量在3.1 61 0-1 21.5 81 0-1 1C之间;增大粒径或减少空气含量均会造成带电颗粒占比增加,颗粒平均电量增加。研究工作对液氢管路系统设计与安全防护应具有理论指导意义。关键词:液氢管流;固空颗粒;电荷积累;数值模拟中图分类号:V 4 3 4 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 6 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 5 5-1 1S t u d yo nC h a r g eA c c u m u l a t i o no fS o l i dA i rP a r t i c l e s i nL i q u i dH y d r o g e nP i p eF l o wa n dP a r t i c l e sM o v e m e n tP e r f o r m a n c eL IZ h u o l u n1,WANGL e i1,L E IG a n g2,CHE NQ i a n g2,MAY u a n1,L IY a n z h o n g1(1.I n s t i t u t eo fR e f r i g e r a t i o na n dC r y o g e n i cE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fT e c h n o l o g i e s i nS p a c eC r y o g e n i cP r o p e l l a n t s,B e i j i n g1 0 0 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:T or e v e a l t h ec h a r g ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n da c c u m u l a t i o nb e h a v i o r s i nal i q u i dh y-d r o g e nf l o wc o n d i t i o n,t h eb i n a r ys y s t e mo fs o l i da i rp a r t i c l e s i nl i q u i dh y d r o g e np i p ef l o w w a st a k e na s t h eo b j e c t,a n d t h eo p e ns o u r c e s o f t w a r ep l a t f o r mO p e n F OAM w a s a d o p t e d.S e v e r a l a d-d i t i o n a l f u n c t i o n s,i n c l u d i n gf o r c em o d e l o nt h es o l i dp a r t i c l e s,e l e c t r i f i c a t i o nm o d e l b yLH2-w a l lf r i c t i o n,l o w-c o n d u c t i v i t yf l u i dc h a r g em o d e l a n dp a r t i c l ec h a r g em o d e l,w e r ee s t a b l i s h e da n d i n-c o r p o r a t e d i n t ot h es o f t w a r ep l a t f o r mt oe x t e n d i t sp r e d i c t i v ea b i l i t i e s.W i t ht h em u l t i-p h a s ep a r-t i c l e-i n-c e l l(MP-P I C)m e t h o d,t h ec o u p l e dc a l c u l a t i o no fl i q u i d-s o l i dt w o-p h a s ef l o wf i e l da n de l e c t r i c f i e l dw a s r e a c h e d.B a s e do nt h i se x t e n d e d-f u n c t i o ns o f t w a r e,t h ec h a r g ea c c u m u l a t i o ni nt h eLH2f l o we v e n tw i t hs o l i da i rp a r t i c l e sw a ss i m u l a t e d,a n dt h e i n f l u e n c e so fp a r t i c l es i z ea n da i ra m o u n to nc h a r g ea c c u m u l a t i o np e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ec h a r g ed e n s i t y i nap u r eLH2f l o we v e n t i sa b o u t 1.3 5 81 0-7C/m3w h e nt h e f l o wr a t e i s3m/s,w h i l et h ec h a r g ed e n s i t y i nas o l i da i rp a r t i c l ee x i s t e n c ec a s e i sh i g h e r t h a nt h i sv a l u eb yt h r e eo r d e r so f*收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 2。作者简介:李卓伦(2 0 0 0),男,硕士生;王磊(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 7 6 1 5 1)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 7 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 1 7.1 4 5 8.0 0 2.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n m a g n i t u d e.T h e r e f o r e,t h ec h a r g er i s k i nt h es o l i da i rp a r t i c l ee x i s t e n c ec a s e i sg r e a t e r t h a nt h a ti nap u r e l i q u i dh y d r o g e nf l o wc o n d i t i o n.M o s ts o l i da i rp a r t i c l e s,w i t had i a m e t e ro f0.1mm,h a v e t h ec h a r g ea m o u n to f a b o u t 3.1 61 0-1 2Ct o1.5 81 0-1 1C.I n c r e a s i n gt h ep a r t i c l es i z eo rd e c r e a s i n gt h ea i rc o n t e n t i nt h es y s t e mi n c r e a s e st h ep r o p o r t i o no fc h a r g e dp a r t i c l e s,a sw e l l a st h ea v e r a g ep a r t i c l ee l e c t r i cq u a n t i t y.T h ep r e s e n t s t u d y i so f t h e o r e t i c a l l y i n s t r u c t i v e s i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g na n ds a f e t yp r o t e c t i o no f l i q u i dh y d r o g e np i p e l i n es y s t e m s.K e y w o r d s:l i q u i d h y d r o g e n p i p ef l o w;s o l i d a i r p a r t i c l e;c h a r g e a c c u m u l a t i o n;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 液氢在航天与氢能领域发挥着重要作用。但是,液氢属易燃易爆介质,管道传输时可产生数千伏特静电场1。在液氢储存与传输系统中,气体置换不充分或泄露可能造成空气渗入2。空气在液氢中的溶解度极小,且液氢温度远低于空气凝固温度,因此液氢管路中极易沉积固空(固氧)颗粒3。固空颗粒运动会产生电荷积累,与液氢静电一起造成系统的安全隐患4-5。已有学者从实验与事故分析层面探索了液氢爆炸原因6-7,但静电的形成机制鲜有报道。面对未来液氢大规模应用需求,有必要针对含固空颗粒的液氢管流静电积聚规律开展研究,以期指导液氢系统的安全管控。液氢管流静电的准确预测需建立在固液两相流传输特性与静电积累规律的基础之上。在固液两相流仿真领域,欧拉-拉格朗日法框架下的离散颗粒模型应用广泛8-9,但该方法对算力消耗极大。为此,A n d r e w s等1 0基于单向流求解方法P I C1 1,提出了MP-P I C算法,并通过优化阻力项的求解函数,保证了高颗粒雷诺数(1 05)下模拟结果与实验数据的一致性,使固液两相流的预测准确性与效率获得提升。宋梓枫1 2将MP-P I C模型应用于水平稀相气力输送管道工况,对压降的预测误差控制在8%以内。学者们已对静电产生机理开展了相关研究。针对液体与壁面摩擦起电,董巨辉等1 3-1 4开展了理论预测,发现当液氢管流处于层流时,电荷密度约为11 0-6C/m3。涂俞明1 5提出了一种变压器油流静电带电计算模型并开展实验,为油流静电带电计算奠定了基础。在颗粒碰撞起电方面,已有研究表明,颗粒碰撞频率影响电荷积累程度,且电荷量与碰撞次数呈指数关系1 6-1 9。M a t a s u s y a m a等2 0提出了电荷弛豫理论,认为不同材料物体接触时,二者表面发生电荷转移,当两物体分离时,在分离空隙发生微小放电,残余电荷随物体分离且附着在表面。可以看出,低温介质层流与低电导率液体起电机理已有研究,但实际中,液氢传输大多处于湍流流态,目前的研究主要是在层流模型基础上,通过修正对湍流工况开展近似求解2 1。固空颗粒起电方面,因物性及工况特殊性,采用有效功函数法分析固空带电规律存在较大不确定性2 2。电荷弛豫理论多用于非金属材料起电研究,但对实验参数有较强的依赖性。综上所述可知,国内外学者对液氢输送管道内静电积累仍处于探索阶段,尚缺乏可靠的理论支撑,开展精细的实验研究面临成本高、安全隐患大等挑战。仿真工作面临两相流模型在液氢温区少有应用、两相流与静电作用耦合研究不深入、湍流液氢带电量无法确定、固空颗粒物性缺失、起电机理未知等诸多难题。为此,本文就带固空颗粒的液氢管流静电规律开展仿真预示,通过静电模型的重构实现仿真平台功能拓展,实现固液两相流与静电规律耦合求解。通过研究,揭示该过程中静电积累规律,为液氢系统的安全管理提供理论指导。1 液氢-固空管道传输模型含固空颗粒的液氢管路传输时,将发生液氢冲刷管壁起电与颗粒碰撞起电两种作用,其中,管路系统的静电积累与固空颗粒运动密切相关。本文选择开源仿真软件O p e n F OAM对液固两相流与静电积累规律开展仿真预示。对于固液两相流问题,仿真模型构建的重点是确定固空颗粒的受力关系;针对电荷积累,重点解决两相流场-电场的耦合求解难题;针对固空颗粒起电,则需考虑颗粒与金属壁面碰撞时的接触形式。1.1 物理对象本文研究对象如图1所示。其中,液氢管道内径为D,管长为L。携带球形固空颗粒的液氢自管道入口以流速ul流入,从右侧出口排出。固空颗粒直径为dp,速度为up。颗粒在液氢中所受合力为F,固空颗粒带电量、单位体积液氢电荷量(体电荷密度)分别为q、e。65 第8期李卓伦,等:液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图1 携带固空颗粒的液氢管路输送示意 F i g.1S c h e m a t i cd i a g r a mo f l i q u i dh y d r o g e n-s o l i da i rp a r t i c l ep i p e l i n e t r a n s f e rp r o c e s s1.2 固-液两相流模型固空颗粒在液氢流中的受力模型如图2所示。文献2 3 表明,颗粒间静电力对稀相简单管路中固液两相流动的影响甚微,且静电力的引入不利于计算收敛,故忽略带电颗粒间静电力作用。颗粒所受合力的数学模型为F=Fd+Fg+Fc+Fp+Fe+FD E P(1)式中:Fd为曳引力,表征流体与颗粒间相互作用;Fg为颗粒所受重力;Fc为固相应力,反映颗粒接触时的受力;Fp为压差力;Fe为带电颗粒所受电场力;FD E P为介电泳力。上述力的单位均为N。将液氢与固态空气相关物性参数代入不同受力模型,并结合颗粒运动形式,可得出颗粒受力关系。对多颗粒或颗粒群体系,Fd依据W e n-Y u曳力模型2 4计算确定,曳力系数由S c h i l l e r-N a u m a n n模型2 5确定。Fc由S n i d e r修正模型2 6求解。Fd、Fg、Fc、Fp可在O p e n F OAM软件中通过设置MP-P I C求解器实现。图2 固空颗粒受力示意F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a m o fp a r t i c l e m e c h a n i c a lm o d e l i n l i q u i dh y d r o g e nf l o w颗粒所受电场力为Fe=q Ee(2)式中:Ee为电场强度,V/m。电场强度、体电荷密度与电势间满足Ee=-e(3)2e=-el0(4)式中:e为管内电势,V;l为流体相对介电常数;0为真空介电常数,0=8.8 51 0-1 2F/m。为确定管内电场分布,本文取壁面电势为基准,令其为0(elr=R=0),根据式(3)、(4)可求解场强。中性颗粒在电场中受到极化,表面产生感应电荷,进而对颗粒产生介电泳力。对于球形颗粒,FD E P计算2 7如下FD E P=12d3pl0p-lp+2lE2e(5)式中p、l分别为颗粒电导率与流体电导率,S/m。仿真中,Fe与FD E P通过编程植入软件予以考虑。1.3 液氢起电模型为确定液氢带电程度,选用W a l m s l e y与W o o df o r d2 8-2 9提出的无量纲参数(K1K4)对液氢的电荷密度进行求 解,各参量 物 理 意 义 如 表1所 示。其中:K1表征液体导电能力,与物性有关;K2、K3取值分别为3 1.6与0.0 3 16;K4=0.5。将液氢的电导率、相对介电常数、密度以及黏度等代入表2中的关系式,即可计算出液氢的电荷密度,具体推导详见文献2 7。其中:R为管路半径;ke为玻尔兹曼常数,取1.3 81 0-2 3J/K;e为电子电量,取1.61 0-1 9C。表1 液氢起电模型无量纲参数2 9 T a b l e1 D i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s i nl i q u i dh y d r o g e ne l e c t r i f i c a t i o nm o d e l2 9无量纲数表达式物理意义K1lR2/l0D+D-扩散时间与弛豫时间之比K2K-R/D+D-负离子扩散时间与壁面吸收时间之比K3K+R/D+D-正离子扩散时间与壁面吸收时间之比K4D-/D-+D+负离子的迁移数7 9R e-0.8 7 5S c-0.2 5边界层厚度与管径之比R elulD/l惯性力与黏性力之比S cl/lDd运动黏性系数与扩散系数之比75西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 表2 电荷密度与无量纲参数关系2 9 T a b l e2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a r g ed e n s i t ya n dd i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s2 9取值范围电荷密度近似关系式K11K1K2K3l0keTe R2K12 21K2-1K3+2K4-1 K41-K4 K11K1K2K3l0keTe R2K12K2K31K2-1K3+2K4-1 K41-K4 K11K110.0 1 25C1l0keTe R2S c0.2 5R e0.8 7 51.4 颗粒起电模型假设所有固空颗粒尺寸与组分相同,根据双极荷电原理1 7,3 0,尺寸与组分相同的颗粒间极难产生电荷转移,故本文在考虑颗粒碰撞时,忽略二者间电荷转移,仅考虑颗粒-壁面碰撞起电。图3描述了颗粒与壁面碰撞产生电荷积累过程。中性颗粒与壁面碰撞后,在接触区产生电荷积累,并在接触区达到饱和;当颗粒脱离壁面后,接触区所积累的电荷在整个颗粒表面重新分配直至均匀;当颗粒整体电荷未达到饱和时,颗粒与壁面的二次接触重复之前电荷产生与重新分配过程,直至达到饱和;饱和后的颗粒与壁面的碰撞不再获得电量。相较于前次碰撞,第二次碰撞增加的电荷减少,表现为电荷积累速率随碰撞次数逐渐放缓。图3 颗粒-壁面碰撞中电荷积累过程 F i g.3C h a r g ea c c u m u l a t i o n i nt h ep a r t i c l e-w a l l c o l l i s i o np r o c e s s颗粒饱和电荷量关系式为q=l0E Ap(6)式中:q为带电颗粒饱和带电量,C;E为流体击穿场强,V/m;Ap为颗粒表面积,m2。假设颗粒每次与壁面碰撞时,颗粒均获得接触区域所能携带的最大电量,其数学描述为q=A c(7)式中:为颗粒饱和电荷密度,C/m2,物理意义为颗粒携带饱和电量时单位表面电荷量;q为颗粒单次碰撞获得的电量,C;A c为有效接触面积,m2,表示单次碰撞中颗粒能够携带电荷的表面积。A c定义3 1如下A c=Ac1-ANAp (8)式中:Ac为颗粒与壁面无滚动弹性碰撞时的接触面积,m2,给定固空密度、弹性模量、泊松比等物性后,根据赫兹接触理论计算3 2;AN为颗粒已带电荷表面面积,m2;为滚动因子,描述颗粒与壁面接触时由于滚动而增加的接触面积,与颗粒切向速度近似成正比,本文取=1 0 03 1。1.5 求解思路在O p e n F OAM软件中,原有MP-P I C求解器仅能模拟固液两相流,无法耦合静电场作用。为实现含颗粒液氢管流静电规律的预示,需对模型做必图4 固液两相流-静电耦合求解框图 F i g.4C o u p l i n gs o l u t i o nf l o wc h a r t f o r s o l i d-l i q u i dt w o-p h a s e f l o wa n de l e c t r o s t a t i cp r o c e s s要功能拓展,具体过程如图4所示。需要说明的是,本文所构建模型在前期做了大量的试算,发现当过程持续2 5 s后,携带不同电量的颗粒占管内总颗粒85 第8期李卓伦,等:液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 数的比例均达到稳定,表明系统达到稳态。故在后续仿真中,均取仿真时间为2 5s。软件中需要开展模型扩展的部分包括:固空颗粒与液氢物性添加,颗粒电场力引入,颗粒起电模型构建,液氢起电模型构建,等。编程时,将电场求解器e l e c t r o s t a t i c F o a m与MP P I C I n t e r F o a m求解器结合,式(3)、(4)通过程序实现液氢电势与场强求解。在颗粒参数文件中,编程定义颗粒带电量与带电面积。当颗粒运动至壁面时,调用头文件中颗粒轴向与径向分速度求得颗粒与壁面接触面积,进而求解单次碰撞电量增加量。为实现固空颗粒所受电场作用,在颗粒受力文件中定义电场力与介电泳力,调取头文件中液氢内部电场及颗粒带电量参数计算出受力。2 模型验证及参数选取因液氢介质特殊性,目前尚未见液氢-固空颗粒或基于其他低温工质的静电实验报道。为开展模型验证,遴选了与液氢-固空物性接近的实验工况。其中,空气黏度与液氢相似,聚合物颗粒与固空密度相近,因此本文选取空气-聚合物颗粒实验数据验证所建立的两相流模型。同时,选择与液氢电导率相似的甲苯实验数据,验证液氢带电模型。2.1 无静电模型验证选择文献1 2,3 3 工况对所构建的固液两相流模型开展对比校验。该实验中,携带球形塑料颗粒的空气在水平玻璃管中运动。采用本文模型对该过程开展了仿真预示,对比结果如图5所示,其中,横坐标负载率表示两相流中固体与流体质量流量之比。由图可知,本文所构建模型在预测两相流时具有较高的预测精度,相对误差如表3所示。图5 管路压降随负载率变化关系的对比F i g.5C o m p a r i s o no fp r e s s u r ed r o pw i t hl o a dr a t ev a r i a t i o n表3 本文模型与文献模型预测精度对比T a b l e3 R e l a t i v ee r r o r sb yd i f f e r e n tm o d e l s负载率文献1 2 平均压降误差/%本文平均压降误差/%1.15.6 35.2 62.18.1 90.0 43.38.3 00.8 82.2 静电模型验证选择甲苯管流电荷积累随入口R e的变化验证所构建的流体起电模型,预测结果与文献2 9 模拟结果对比如图6所示。其中,i/q为无量纲电荷密度。由图可得,本文模型在预测管流静电时具有较高精度。图6 甲苯管流静电积累预测结果的对比F i g.6C o m p a r i s o no fp r e d i c t i o nr e s u l t sf o re l e c t r o s t a t i ca c c u m u l a t i o no f t o l u e n e t u b e f l o w2.3 工况设置后续计算中,假设初始时刻管内充满均匀带电液氢,颗粒在入口截面随机分布,并以恒定体积分数进入管道,忽略颗粒与液氢间热量交换。颗粒以一定速度随液氢注入管道,与壁面碰撞产生电荷积累。选取文献3 4 中液氢管流工况开展仿真研究,参数取值如表4所示。根据文献3 5 的实验数据可知,液氢中含固分数(ma i r/mH2,ma i r为液氢中空气质量,mH2为液氢总质量)约为9.0 51 0-6。进一步分析可知,当液氢流速为3m/s时,每秒约有21 05个直径为0.1mm的固空颗粒进入管路。图7展示了所建立的液氢管路网格模型。其中,采用4个1 61 6的扇形网格及一个1 61 6的正方形网格对圆管横截面进行网格划分,沿管长方向设置2 0 0个网格,网格总数为2 5 60 0 0。95西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 表4 本文模拟参数取值T a b l e4 V a l u e so f s i m u l a t i o np a r a m e t e r s i nt h ep r e s e n t s t u d y参数数值管路直径D/m0.0 7管长L/m1 0固空颗粒密度p/(k gm-3)11 0 4.8负载率1.41 0-43 5管内压力p/MP a0.6液氢温度T/K2 0液氢密度l/(k gm-3)7 1.7 6液氢流速ul/(ms-1)3重力加速度g/(ms-2)9.8 1法向恢复系数en0.9 9切向衰减系数et0.0 1颗粒粒径dp/mm0.1液氢相对介电常数el1.2 3 39液氢电导率l/(Sm-1)1 0-1 5固空相对介电常数p2.7图7 液氢管道模型网格示意F i g.7S c h e m a t i cd i a g r a mo f l i q u i dh y d r o g e np i p e l i n eg r i dm o d e l为验证网格构建的合理性,在表4工况下,进一步建立了加密网格、疏松网格开展对比校验。根据液氢出口速度、颗粒出口速度、首个颗粒逸出管道时间评价网格模型的有效性,如表5所示。综合考虑运算精度与效率,选择网格数为2 5 60 0 0的模型开展后续仿真预示。表5 网格无关性验证T a b l e5 G r i d i n d e p e n d e n c ev e r i f i c a t i o n网格数/1 03液氢速度/(ms-1)液氢速度相对误差/%颗粒速度/(ms-1)颗粒速度相对误差/%逸出时间/s逸出时间相对误差/%6 43.6 0 71.5 53.8 0 41.7 1 2.7 8 602 5 63.6 6 43.8 7 02.7 8 65 1 23.6 6 403.8 7 70.1 6 2.7 9 0 0.1 43 结果与讨论3.1 液氢管流静电累积当液氢流速为3m/s时,由表2所列公式解得纯液氢饱和电荷密度约为1.3 5 81 0-7C/m3。以管路中心截面为例,沿管径方向的电势与电场强度分布如图8所示。可以看出,管内最大电场强度为2 1 7.6V/m,该值远小于同条件下液氢击穿电场强度(6.91 07V/m3 6)。因此,纯液氢流动不易产生静电诱发的爆炸风险。图8 纯液氢管路电势与场强分布规律F i g.8E l e c t r i c a lp o t e n t i a l a n df i e l ds t r e n g t hd i s t r i b u t i o no fp u r e l i q u i dh y d r o g e np i p e l i n e将带电颗粒数占总颗粒数的比例定义为,图9展示了携带不同极性固空颗粒的液氢管流达到稳态图9 稳态下管内不同极性颗粒电荷分布及数量比例F i g.9 C h a r g ed i s t r i b u t i o na n dn u m b e rp r o p o r t i o no fp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tp o l a ru n d e r s t e a d ys t a t e时,不同带电量颗粒数占总颗粒数的比例关系。可06 第8期李卓伦,等:液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 以看出,颗粒带电极性影响颗粒的带电量分布。当固空颗粒带负电时,所受电场力与重力方向相反,在电场力作用下带电颗粒沉积趋势减弱,颗粒电量分布更分散。当颗粒携带正电,与液氢极性相同时,理论上电场力作用下颗粒向壁面靠近,更易沉积于底部。但实际中,即使颗粒仅受重力作用,也会在管路底部大量沉积,颗粒的堆积直接阻碍后续颗粒接触壁面与积累电荷。因此,当颗粒带正电时,颗粒电量分布与不带电时基本相同。需要说明的是,固空颗粒实际的电极性暂无相关数据。通常,非金属绝缘颗粒与金属碰撞中倾向于接收电子3 7,故本文视固空颗粒携带负电。带电颗粒的电荷量集中在1.5 81 0-1 1C附近,电量低于3.1 61 0-1 2C的颗粒极少,可忽略不计。另外,将所有颗粒电量之和与管路总体积相比,可知稳态下单位体积液氢内固空颗粒的电荷量约为4.11 0-4C/m3,将其定义为单位体积带电量。对比可知,含固空颗粒工况下单位体积电量相较于纯液氢工况大3个数量级。因此,含固空液氢管流相较于纯液氢流动的静电问题更严重,需给予更多关注。取距离管路入口3、6、9m截面分别代表上、中、下游,3个截面处的颗粒电量分布如图1 0所示。图中,不同颜色代表颗粒电荷量所属区间,不带电颗粒以黑色表示。可以看出,t=3s时,上、中游均有颗粒沉积,下游颗粒仍在管路主流区,未见明显沉积。随着时间推移,下游颗粒开始沉积,各流段颗粒带电量均有所升高,上游最先形成电荷集中区域,中、下游颗粒也逐渐带电,最终均呈现黄色区包裹红色区域的分布特征,各流段电量分布趋于一致。在图1 0所示工况中,颗粒静电均集中于管路底部。因此,需重点关注管路底部的静电安全,避免电荷在此处的积聚。(a)t=3s,3m(b)t=3s,6m(c)t=3 s,9m(d)t=1 2s,3m(e)t=1 2 s,6m(f)t=1 2s,9m(g)t=1 6s,3m(h)t=1 6 s,6m(i)t=1 6s,9m16西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n (j)t=2 5 s,3m(k)t=2 5 s,6m(l)t=2 5s,9m图1 0 不同截面处固空颗粒静电分布F i g.1 0E l e c t r o s t a t i cd i s t r i b u t i o no f s o l i da i rp a r t i c l e sa td i f f e r e n t s e c t i o n s3.2 粒径影响由式(6)、(7)可知,颗粒饱和电量与其尺寸密切相关,且颗粒单次碰撞增加的电荷量与接触面积成正比,而接触面积与颗粒尺寸具有一定相关性,故有必要分析颗粒尺寸对静电积累的影响。假设液氢中空气含量一定,在固空直径为0.1mm的基础上,进一步选取粒径为0.0 5、0.2mm工况开展对比分析。稳态时,不同粒径下带电颗粒占总颗粒数的比例及单位体积带电量如图1 1所示。可以看出,随着粒径增大,带电颗粒比例上升,单位体积带电量增加,当粒径为0.2mm时,近9 0%颗粒带电,单位体积带电量约为7.5 71 0-4C/m3,相比于粒径为0.1mm颗粒工况,单位体积电量增加了1.8倍。原因有二:一是液氢中空气含量一定时,入射粒子数与颗粒粒径的3次方呈反比,粒径增大使粒子数迅速减少,相应地,颗粒与壁面接触几率增大,更易获得电量;二是随着粒径增大,颗粒受重力影响更大,更易在管路底部与壁面碰撞带电。图1 1 带电颗粒比例、单位体积颗粒电量与粒径关系F i g.1 1 V a r i a t i o no f c h a r g e dp a r t i c l e sr a t i oa n dp a r t i c l ec h a r g ep e ru n i tv o l u m ew i t hp a r t i c l es i z e不同粒径下带电颗粒的电量分布如图1 2所示。可以看出,随着粒径增大,与壁面碰撞面积增大,带电量相应升高。大尺寸颗粒携带电荷能力较高,受重力影响较大,更易与壁面碰撞,携带高电荷的颗粒比例增加,电荷分布更为密集。综上可知,大尺寸固空颗粒的静电累积更为严重,对管路安全运输的威胁更大。图1 2 不同粒径下颗粒电荷分布及数量比例F i g.1 2 C h a r g ed i s t r i b u t i o na n dn u m b e r r a t i oo f p a r t i c l e sa td i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s3.3 空气含量影响令文献1 2 中的空气含量(固氧与液氢流量之比,本文取1.41 0-4)为S,预测0.1S与1 0S条件下带电颗粒比例与单位体积带电量,结果如图1 3所示。可以看出,随着液氢中空气含量升高,单位时间入射粒子数增加,然而壁面沉积区域有限,大量颗粒难以与壁面发生碰撞,因此随着液氢中含空气量升高,带电颗粒比例降低。空气含量的升高使得单位时间入射系统的粒子数增加,单位体积带电量随之升高。26 第8期李卓伦,等:液氢-固空颗粒管流电荷积累与颗粒运动规律研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图1 3 带电颗粒比例、单位体积颗粒电量与空气含量关系 F i g.1 3 V a r i a t i o no f c h a r g e dp a r t i c l e sr a t i oa n dp a r t i c l ec h a r g ep e ru n i tv o l u m ew i t ha i r c o n t e n t 图1 3表明,如果从平均电量的角度出发,适当降低液氢含空量可减少管内静电积累,但系统是否安全往往是由大电量颗粒决定。图1 4展示了不同空气含量下带电颗粒电量分布及对应的颗粒比例。取各图像中颗粒数比例最大值对应电量作为颗粒平均电量。可见,低含空气量下,固空颗粒平均电量较大,电荷分布更密集。随着空气量增加,电荷分布趋于分散,电荷集中区域前移一段距离后维持稳定。这是因为当空气量较少时,壁面暴露区域大,颗粒与壁面充分接触,积累电量较高。随着颗粒浓度升高,壁面沉积颗粒数逐渐趋于饱和,颗粒碰撞几率减少,带电量相应降低。图1 4 不同空气含量下颗粒电荷分布及数量比例F i g.1 4C h a r g ed i s t r i b u t i o na n dn u m b e r r a t i oo fp a r t i c l e sa td i f f e r e n t a i r c o n t e n t由上述结果可知,若从高电量判据出发,液氢中更多的空气量造成系统静电安全性提高,但空气量增加使得液氢中氧浓度更高,爆炸隐患随之提高。因此