顆粒流體兩相流動PPT課件

1、曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）在球坐標系中用連續(xù)性方程和N-S方程可得到顆粒周圍流體中剪應力 r 和靜壓強 p 的分布為 式中p0為來流壓力。流體對單位面積球體表面的曳力（表面摩擦應力）為 sin234rRRurcos2320rRRugzpp3sin2srr RuR 第1頁/共47頁曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）r 在 z 軸的分量為22002200dsinsin d3dsinsinsin d42rr RFRuRRuR 表面曳力 (Wall drag)所以整個球體表面摩擦曳力在流動方向上

2、的分量 F 為 sin2/cosrrz dd第2頁/共47頁220022003dcossin d3dcoscossincos d2423nr RFpRupgRRRRgRu 0 曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）流體靜壓強對整個球體表面的作用力在流動方向上的分量為 浮力 Fb與流體運動無關流體對顆粒的形體曳力 Fp正比于流速 u形體曳力(Form drag)第3頁/共47頁曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）流體流動對顆粒表面的總曳力為摩擦曳力與形體曳力之和 426dpRuRuRuFFF斯托克斯（S

3、tockes）定律 嚴格說只有在 Rep 0.1 的爬流條件下才符合上式的求解條件 udRepp第4頁/共47頁曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）顆粒表面的總曳力 Fd(1) Rep2，層流區(qū) (斯托克斯定律區(qū)) 22uACFpDd24DpCRe6 . 05 .18pDReC0.44DC(2) 2Rep500，過渡區(qū) (阿侖定律區(qū)) (3) 500Rep2105，湍流邊界層區(qū) 邊界層內的流動也轉變?yōu)橥牧?，流體動能增大使邊界層分離點向后移動，尾流收縮、形體曳力驟然下降，實驗結果顯示此時曳力系數(shù)下降且呈現(xiàn)不規(guī)則的現(xiàn)象，CD 0.1。 第5頁/共47

4、頁曳力與曳力系數(shù)（曳力與曳力系數(shù)（Drag and drag coefficient）曳力系數(shù) CD 與顆粒雷諾數(shù) Rep 的關系 流體繞球形顆粒流動時的邊界層分離 ABC850u0ABC1400u0第6頁/共47頁自由沉降與沉降速度（自由沉降與沉降速度（Free settling and settling velocity） 單顆粒（或充分分散、互不干擾的顆粒群）在流體中自由沉降時在所受合力方向上產(chǎn)生加速度 合力為零時，顆粒與流體之間將保持一個穩(wěn)定的相對速度。dgb-FFF2231246ptDppdugCd43pptDgduCFd Fg Fb ut 由顆粒與流體綜合特性決定，包括待定的曳力系

5、數(shù)CD重力場中的沉降速度Futmdd第7頁/共47頁自由沉降與沉降速度（自由沉降與沉降速度（Free settling and settling velocity） 顆粒-流體體系一定，ut一定，與之對應的Rep 也一定。根據(jù)對應的 Rep，可得到不同Rep范圍內 ut 的計算式： (1) Rep2，層流區(qū)(斯托克斯公式) (2) 2Rep500，過渡區(qū)(阿侖公式) (3) 500Rep ut ， up 0， 顆粒向上運動；u ut ， up 0，顆粒向下運動。 ptuuu第9頁/共47頁一般采用與球形顆粒相對比的當量直徑來表征非球形顆粒的主要幾何特征。 等體積當量直徑 deV 等表面積當量直

6、徑 deA 等比表面積當量直徑 dea 顆粒形狀系數(shù) 非球形顆粒4個幾何參數(shù)之間的關系 eAAd6ppppAaVd66eadaA VpAaa工程上多采用可以測量的等體積當量直徑 deV 和具有直觀意義的形狀系數(shù)A。 36VdeVeVeaeAeVAdddd2第10頁/共47頁固定床（Fixed bed）：固定不動的固體顆粒層例：固定床催化反應器、吸附分離器、離子交換器等。流體在固定床中的流動狀態(tài)直接影響到傳熱、傳質與化學反應。 測量顆粒粒度有篩分法、光學法、電學法、流體力學法等。工業(yè)上常見固定床中的混合顆粒，粒度一般大于70mm，通常采用篩分的方法來分析顆粒群的粒度分布。 標準篩：國際標準組織

7、ISO 規(guī)定制式是由一系列篩孔孔徑遞增（0.045 mm 4.0mm）的，篩孔為正方形的金屬絲網(wǎng)篩組成，相鄰兩篩號篩孔尺寸之比約為2。由于歷史的原因，各國還保留一些不同的篩孔制，例如常見的泰勒制，即是以篩網(wǎng)上每英寸長度的篩孔數(shù)為篩號，國內將其稱之為目數(shù)。 第11頁/共47頁若篩孔直徑為 di-1 和 di 相鄰兩篩的篩留質量為mi，質量分率為xi，則有粒度等于和小于 dpi 的顆粒占全部顆粒的質量分率 i pdidi-1d0ifpd粒徑密度函數(shù) f0分布函數(shù)Fpd粒徑i pdmaxd1.0iFii-1i12pdddiii-1ixfdd ii0dpdppfddFiiddppppddFfdd混合顆

8、粒粒度分布函數(shù) 兩函數(shù)可相互轉換 第12頁/共47頁由于顆粒的比表面對流體通過固定床的流動影響最大，通常以比表面積相等的原則定義混合顆粒的平均直徑 dpm。 若密度為p的單位質量混合球形顆粒中，粒徑為dpi的顆粒的質量分率為xi，則混合顆粒的比表面為 比表面相等iiii61pppxaaxdii61pmpdaxdiiiii11pmAeVeadxxddiipmpdx d對于非球形顆粒，按同樣的原則可得 也可用質量平均求混合顆粒的平均直徑 第13頁/共47頁床層空隙率 顆粒床層中空隙體積與床層總體積之比床層自由截面 顆粒床層橫截面上可供流體流通的空隙面積床層比表面 單位體積床層具有的顆粒的表面積0b

9、pbbVVVVV1baa第14頁/共47頁流體在顆粒床層縱橫交錯的空隙通道中流動，流速的方向與大小時刻變化，一方面使流體在床層截面上的流速分布趨于均勻，另一方面使流體產(chǎn)生相當大的壓降。困難：通道的細微幾何結構十分復雜，即使是爬流時壓降的理論計算也是十分困難的，解決方法：用簡化模型通過實驗數(shù)據(jù)關聯(lián)。 LuLeu表觀速度第15頁/共47頁把顆粒床層的不規(guī)則通道虛擬為一組長為 Le 的平行細管，其總的內表面積等于床層中顆粒的全部表面積、總的流動空間等于床層的全部空隙體積。該管組（即床層）的當量直徑可表達為 管組濕潤周邊管組流通截面積4ebd床層顆粒的全部表面積床層空隙體積4ebd441ebbdaa2

10、12ebebuLpd將流體通過顆粒床層的流動簡化為在長為 Le、當量直徑 deb 的管內流動，床層的壓降 p 表達為 u1 流體在虛擬細管內的流速，等價于流體在床層顆?？障堕g的實際 (平均) 流速。1uuu1 與空床流速(又稱表觀流速) u、空隙率 的關系第16頁/共47頁工程上為了直觀對比的方便而將流體通過顆粒床層的阻力損失表達為單位床層高度上的壓降 固定床流動摩擦系數(shù)康采尼（Kozeny）式：Reb 22221331(1)128eebebpaauLLuuLLLdbfRe 14(1)ebbud uRea bKRe 223(1)bpaKuL床層雷諾數(shù)K 康采尼常數(shù)，= 5.0 康采尼（Koze

11、ny）方程第17頁/共47頁歐根（Ergun）關聯(lián)式：Reb=（0.17420）可用 A 與 deV 的乘積 (A deV) 代替 dea。 4.170.29bRe 23322)1 (29. 0)1 (17. 4uauaLpb22332111501.75beaeapuuLdd0.11.0101000.010.11.010100100010000bRe 歐根 (Ergun) 方程第18頁/共47頁當 Reb 2.8 (Rep 280 (Rep 1000) 時，歐根方程右側第一項可忽略。即流動為湍流時，壓降與流速的平方成正比而與粘度無關。 第19頁/共47頁流態(tài)化(流化床)：顆粒在流體中懸浮或隨其

12、一起流動。強化顆粒與流體間的傳熱、傳質與化學反應特性。ubp0LuABCDEABCDE床高logulogp bmfutumfL鼓泡床(聚式)膨脹床(散式)氣泡相乳化相F流態(tài)化過程床層壓降及床高變化曲線 初始流態(tài)化：臨界流化速度 umf 臨界空隙率mf 顆粒被氣流帶出：帶出速度 u（=ut）流化床操作范圍：臨界流化速度 umf 與帶出速度之間第20頁/共47頁umf是流化床的特性，是固定床變?yōu)榱骰驳囊粋€轉折點。可由實驗測定的pb u 曲線得到較準確的值。初始流化時，床層內顆粒群（注意不是單顆粒）所受的曳力、浮力與重力相平衡，即流體通過床層的阻力 pb 等于單位床層面積上顆粒所受的重力與浮力之差

13、 因該狀態(tài)下床層壓降也符合歐根方程，將其與上式聯(lián)立并用（AdeV）代替 dea，可得 1mfmfpbpgL222331111501.75mfmfmfmfmfpmfevAevmfAguudd第21頁/共47頁當 deV 較大，umf 對應的Rep1000 時，左側第一項可忽略， 注意：計算 umf 的準確程度及可靠范圍取決于關聯(lián)式本身。應充分估計 umf 計算值的誤差。最好以實驗測定為準。31.75pevmfAmfgdu3114mfA231111mfAmf顆粒幾何性質及床層 mf 可用經(jīng)驗式估算 231150evmfAmfpmfdgu當 deV 較小，umf 對應的 Rep10%pb，且0.35

14、mmH2O) 可使氣體初始分布均勻，以抑制氣泡的生成和溝流的發(fā)生。多孔板風帽管式內部構件：阻止氣泡合并或破碎大氣泡。寬分布粒度：寬分布粒度的細顆?？商岣叽矊拥木潭?。床層振動：氣流脈動：第25頁/共47頁特征：顆粒分散均勻，隨著流速增加床層均勻膨脹，床內空隙率均勻增加，床層上界面平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、波動很小。散式流態(tài)化是較理想的流化狀態(tài)。一般流-固兩相密度差較小的體系呈現(xiàn)散式流態(tài)化特征，如液-固流化床。 特征：顆粒分布不均勻，床層呈現(xiàn)兩相結構。即顆粒濃度與空隙率分布較均勻且接近初始流化狀態(tài)的連續(xù)相(乳化相)和以氣泡形式夾帶著少量顆粒穿過床層向上運動的不連續(xù)相(氣泡相)。又稱鼓泡流態(tài)化。一般出現(xiàn)在

15、流-固兩相密度差較大的體系，如氣-固流化床。第26頁/共47頁氣-固流態(tài)化與液-固流態(tài)化并不是區(qū)分聚式與散式流態(tài)化的唯一依據(jù)，在一定的條件下氣-固床可以呈現(xiàn)散式流態(tài)化(密度小的顆粒在高壓氣體中流化)或者液-固床呈現(xiàn)聚式流態(tài)化(重金屬顆粒在水中流化)行為。100mfppmfmfDReLFr100mfppmfmfDReLFr2mfpmfgudFr散式流態(tài)化聚式流態(tài)化臨界流化條件下的弗魯?shù)聰?shù)，D為床徑 根據(jù)流-固兩相的性質及流化床穩(wěn)定性理論，B.Bomero 和提出了如下的準數(shù)群判據(jù)： 第27頁/共47頁11mfmfLRL散式流化具有空隙率隨流化數(shù)均勻變化的規(guī)律聚式流化乳化相的空隙率幾乎不變，床層膨

16、脹主要由氣泡相的膨脹所引起。聚式流化床膨脹比是一個較難確定的參數(shù)。床層的流化狀態(tài)和流化質量與流化數(shù)有很大關系實際操作流速與臨界流化速度之比 u/umf流化床的膨脹高度 L 與臨界流化高度之比第28頁/共47頁LTDH床高氣體中顆粒的濃度分離高度 H 或 TDH（Transport Disengaging Height）：流化床膨脹高度以上顆粒可以依靠重力沉降回落的高度。超過這一高度后顆粒將被帶出。TDH 的確定對流化床氣體出口位置的設計具有重要意義。 第29頁/共47頁對高流化數(shù)(數(shù)百)下的操作，可在床頂設置旋風分離器將隨氣流帶出的顆粒(ut u)回收并返回床內。廣義流態(tài)化體系：包括密相層、稀

17、相段和顆粒輸送段。例：流態(tài)化催化裂化裝置：原料油高溫氣化后與催化劑顆粒在提升管內形成高速并流向上的稀相輸送，57秒即可完成原料油的催化裂解反應。催化劑經(jīng)旋風離器分離后由下行管進入再生器，被從底部送入的空氣流化再生，停留時間約為712分鐘。 煙道器再生器主風機進料油預熱器提升管反應器吹出用水蒸氣裂解產(chǎn)物反應器內的旋風分離器第30頁/共47頁氣力輸送：在密閉的管道中借用氣體(最常用的是空氣)動力使固體顆粒懸浮并進行輸送。輸送對象：從微米量級的粉體到數(shù)毫米大小的顆粒。優(yōu)點：效率高；全密閉式的輸送既可保證產(chǎn)品質量、又可避免粉體對環(huán)境的污染；容易實現(xiàn)管網(wǎng)化和自動化；可在輸送過程中同步進行氣固兩相的物理和

18、化學加工(顆粒干燥、表面包裹、氣固反應等)。缺點：能耗高，設計和操作不當易使顆粒過度碰撞而磨蝕、破碎，同時造成管道和設備的磨損。 第31頁/共47頁風機料倉進料段顆粒加速段膨脹段密相稀相彎管加速區(qū)高磨損區(qū)氣固分離氣源顆粒進料與加速段穩(wěn)定輸送段氣固分離裝置第32頁/共47頁垂直氣力輸送管內流型 顆粒-流體兩相的流體動力學特征常表現(xiàn)為流型轉變影響參數(shù)：氣體流速敏感參數(shù)：輸送管內的壓降系統(tǒng)動力消耗評價指標用來表征流型稀相輸送與密相輸送 均相氣體表觀流速 u壓降梯度 p/LABabcdeeeeeaaabbbbccccdddd1G2G3G4G5G0G54321GGGGG垂直氣力輸送流型圖 壓降最低曲線

19、密相區(qū)稀相區(qū)“哽噎”速度 輕微團聚 聚團 節(jié)涌 第33頁/共47頁 輸送中重力的作用方向與流動方向垂直，使顆粒保持懸浮的不再是曳力、而是水平流動的氣流對顆粒產(chǎn)生的升力，因此管內流型（主要是密相）也有所不同。 垂直氣力輸送管內流型 均勻稀相 顆粒堆積 “沉寂”速度 “沙丘”流 水平“拴塞” 水平氣力輸送流型圖 氣體表觀流速 u壓降梯度 p/L12345最低壓降曲線“沉寂”速度 第34頁/共47頁氣力輸送裝置的壓降包括輸送段壓降、除塵裝置壓降和系統(tǒng)內各管件、閥件壓降。farippppp pf 氣體與管壁的摩擦損失pa 顆粒加速所需的慣性壓降pr 使顆粒懸浮并上升的重力壓降pi 顆粒自身及與管壁的碰

20、撞與摩擦壓降直管輸送段壓降 p第35頁/共47頁流體相 把流體和顆?？醋骶哂邢嗷プ饔玫膬上?，在微元長度 L 內，分別以流體相和顆粒相為控制體進行動量衡算，得到 顆粒相u, c 氣相與顆粒相在管內的平均流速mg , mp 氣相和顆粒相在控制體內的質量 若微元管段內的空隙率為，則 24gdVLm2114pppdLm顆粒相流體相 DLzgpgfgwdgFFFFtum,ddpppfpwdpFFFFtcm,dd第36頁/共47頁氣相對顆粒相的曳力 Fd ：對粒徑為 dp 的顆粒 223344dDpDpppppucvCmCmFdd1uvccu兩相滑移速度 流體相摩擦阻力Ff,g：假定管內自由截面分率與 相

21、等，則 gfgfmdududLdpF2424212212,而將顆粒相的摩擦阻力 Ff,p 表達為 壓降梯度對兩相的作用力 Fp,g 和 Fp,p 分別表達為 pppiipfmdcdcdLdpF2412412222,ggpmLpLdzpF42,ppppmLpLdzpF412,第37頁/共47頁以上各式中所有動力學參數(shù)及顆粒相摩擦系數(shù) p 直接與管內空隙率有關。氣力輸送中固體加料速率和兩相的流速都直接影響空隙率的大小。 Gw氣力輸送加料比顆粒質量流率為G，流體質量流率為w，則粗略估算時常以加料比判斷流型，例如有人將 = 15 作為密相輸送與稀相輸送的分界線。實際上，即使加料比相同，兩相的物性或流速不同，氣力輸送管道中固體顆粒的真實體積密度并不一樣。pgppGVwV或以體積流率之比 來表達則為 第38頁/共47頁111ppGccwuu11pppcuccu 在均勻分布條件下，空隙率與顆粒流速 c、氣體實際流速 u1的關系為 氣固兩相間的相互作用力 Fd 是兩相模型的核心，目前