顆粒流體力學(xué)

顆粒流體力學(xué)多相流具有以下特點(diǎn)：顆粒是分散相，粒徑大小不一，運(yùn)動(dòng)規(guī)律各異；由于固體顆粒與液體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)慣性不同，因而顆粒與液體介質(zhì)存在著運(yùn)動(dòng)速度的差異-相對(duì)速度；顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互碰撞和摩擦對(duì)運(yùn)動(dòng)有較大影響，并且這種摩擦和碰撞會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)；在湍流條件下，氣流的脈動(dòng)對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及顆粒的存在對(duì)氣流的脈動(dòng)速度均有相互影響；由于流場(chǎng)中壓力和速度梯度的存在、顆粒形狀不規(guī)則、顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互作用等原因，會(huì)產(chǎn)生顆粒的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生升力效應(yīng)。第2頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩相流的基本性質(zhì)在流動(dòng)體系中，顆粒的體積、質(zhì)量和密度分別為Vp、Mp和

p，液體的體積、質(zhì)量和密度分別為Vf、Mf和

f，則兩相流的總質(zhì)量、總體積和密度分別為Vp、Mp和

m，顯然有：體積濃度Cv：固體顆粒的體積占兩相流總體積的分?jǐn)?shù)。單位體積液體所擁有的固體顆粒體積為：第3頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天質(zhì)量濃度：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的兩相流體中所含固體顆粒的質(zhì)量，以Cw表示：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的流體介質(zhì)中所含固體顆粒的質(zhì)量在顆粒濃度很高的兩相流中，常用到空隙率的概念第4頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩相流的黏度：兩相流中顆粒濃度不大時(shí)，其黏度與流體近似。當(dāng)顆粒濃度增大時(shí)，其黏度也隨之增大。A.Einstein提出了如下兩相流黏度計(jì)算式：兩相流的密度：?jiǎn)挝惑w積的兩相流中所含固體顆粒和流體介質(zhì)的質(zhì)量分別稱為顆粒相密度和介質(zhì)相的密度第5頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩相流的比熱容定壓比熱容：定容比熱容：式中，Cpp和Cpf分別為顆粒顆粒相和液體相的定壓比熱容，Cpf和Cvf分別為顆粒相和液體相的定容比熱容。第6頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩相流的比熱容之比：兩相流的定壓比熱容與定容比熱容之比，其表達(dá)式為：當(dāng)Cw大于0.8時(shí)，迅速接近于1，而=1的流動(dòng)為等溫流動(dòng)，因此可以將質(zhì)量濃度大的氣固兩相流動(dòng)看出是等溫流動(dòng)。等溫流動(dòng)具有如下性質(zhì)：由于顆粒的熱容量大，混合物膨脹或壓縮引起的氣體溫度變化可從顆粒的熱交換得到補(bǔ)償而不致影響顆粒和兩相流的溫度。顆粒相的Cpp=Cvp=C第7頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩相流的熱導(dǎo)率：第8頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力：Newton阻力定律Fd-流體阻力，u-顆粒與流體的相對(duì)速度，A-顆粒的迎流面積，-流體的密度，C-阻力系數(shù)，Dp-球形顆粒的粒徑。Ut-顆粒的圓周速度，r-顆粒作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。重力和浮力

離心力第9頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天阻力系數(shù)C-是顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)。球形顆粒的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系球形顆粒沉降情形下，根據(jù)顆粒雷諾數(shù)的大小，大致可分成層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和湍流區(qū)，第10頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天可按下面的公式近似計(jì)算其阻力系數(shù)。層流區(qū)（Stokes區(qū)）

過(guò)渡區(qū)（Allen區(qū)）湍流區(qū)此外用于整個(gè)區(qū)域的近似公式為：第11頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)服從牛頓第二定律重力沉降：假定顆粒為球形且顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相互之間無(wú)任何干擾和影響，即屬于自由沉降，則最大沉降速度為：不同沉降區(qū)的沉降末速度在Stokes區(qū)：在Newton區(qū)：在Allen區(qū)：第12頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天習(xí)題試求相對(duì)密度為2.65，粒徑為10m的石英顆粒在200C的水中自由沉降末速度。在一定的介質(zhì)和一定的溫度條件下，一定密度的固體顆粒的沉降末速度僅與粒徑大小有關(guān)，顆粒大者沉降末速度也大。因此可以根據(jù)沉降末速度的不同實(shí)現(xiàn)大小顆粒的分級(jí)。第13頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天沉降末速度的修正顆粒形狀的修正：形狀對(duì)沉降速度的影響可用球形度

來(lái)表示：

=顆粒的等體積球的表面積/顆粒的實(shí)際表面積等體積當(dāng)量徑Dpv來(lái)計(jì)算沉降速度。在層流區(qū)：umc=Kums在湍流區(qū)，沉降速率通式中的C=5.31-4.88

第14頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天濃度修正：如果顆粒的濃度較小，相鄰顆粒間的距離比顆粒直徑大得多，可認(rèn)為顆粒在沉降過(guò)程中無(wú)任何相互作用，這種沉降為自由沉降。當(dāng)顆粒濃度較大時(shí)，顆粒之間相互干擾，此時(shí)的沉降為干擾沉降。必須對(duì)沉降速度進(jìn)行修正：式中：K-常數(shù)，

m-分散體系的密度，m-分散體系的黏度，k-與顆粒形狀有關(guān)的常數(shù)，球形時(shí)為2/5，Cv-顆粒體積濃度第15頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天離心沉降當(dāng)Cv0.02時(shí)，采用下式計(jì)算：離心加速度比重力加速度大2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，離心沉降能使沉降速度大大加快，同時(shí)可使細(xì)顆粒從分散體系中分離出來(lái)。第16頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天流體通過(guò)顆粒層的透過(guò)流動(dòng)研究表明，單位時(shí)間有流量為Q，流體黏度為，顆粒層迎流斷面面積為A，層厚為L(zhǎng)，壓力差為p，則平均流速為：式中，kd為透過(guò)率，由顆粒層物性決定，實(shí)際上，上式表示的是空管流速。設(shè)顆粒層的空隙率為，則流體在其中流動(dòng)的表觀流速為：第17頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天式中：k0為取決于通道斷面形狀的常數(shù)；L/Le為彎曲率(Carman-Kozeny關(guān)系式)采用此原理，Blaine測(cè)試水泥等粉末材料的比表面積。第18頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天透過(guò)流動(dòng)的應(yīng)用：顆粒層過(guò)濾除塵器：含塵氣體通過(guò)顆粒層時(shí)，其中的顆粒被阻留在顆粒層中；固定床熱交換器流體透過(guò)法測(cè)定粉體的比表面積第19頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天顆粒的懸浮運(yùn)動(dòng)當(dāng)流體通過(guò)顆粒料或粉料層向上流動(dòng)時(shí)，隨著流體速度、顆粒性質(zhì)及狀態(tài)、粉料高度和空隙率的不同，會(huì)出現(xiàn)各種不同的顆粒流體力學(xué)狀態(tài)：固定床：當(dāng)流體速度很小時(shí)（uf<umf），粉體層靜止不動(dòng)，流體從彼此相互接觸的顆粒間的空隙通過(guò)，空隙率不變。流化床：顆粒之間保持相互接觸狀態(tài)的最疏排列。流速一旦超過(guò)umf時(shí)，將不再保持固定床條件，粉體層開始懸浮運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的床層狀態(tài)稱為流化床狀態(tài)，空隙率增加。第20頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣力輸送：當(dāng)流體的速度增大到與顆粒的自由沉降速度相當(dāng)時(shí)，固體顆粒開始被流體帶出，這時(shí)的流體速度稱為最高流化速度。從此時(shí)開始，流速越大，帶出的顆粒也越多，系統(tǒng)空隙率越大，壓降減小，顆粒在流體中形成稀相懸浮態(tài)，并與流體一起從床層中吹出，該狀態(tài)稱為氣力輸送狀態(tài)。這一階段可認(rèn)為床層高度膨脹至無(wú)限大，空隙率接近１００％，此時(shí)系統(tǒng)中固體濃度降低得很快，使原來(lái)流化床中的氣體與固體間的摩擦損失大大降低，從而使總壓降顯著減小。氣固系統(tǒng)的流化床為聚式流化態(tài)，固液系統(tǒng)的流化態(tài)為散式流化態(tài)。第21頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天臨界流化速度：上式中，

ｃ和ｍｆ難以確定，采用上式計(jì)算時(shí)偏差往往較大，因此常采用下式計(jì)算：作業(yè)：在內(nèi)徑為102mm的圓筒內(nèi)填充0.11mm的球形顆粒，填充層高度為610mm，顆粒密度為4810kg/m3，試求顆粒被400C、1大氣壓的空氣流態(tài)化時(shí)的最小流化速度。第22頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣力輸送與機(jī)械輸送相比，氣力輸送具有以下優(yōu)點(diǎn)：直接輸送散裝物料，不需要包裝，作業(yè)效率高；設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，維修費(fèi)用低；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遙控，管理費(fèi)用少；輸送管路布置靈活，可實(shí)現(xiàn)合理化配置；輸送過(guò)程中物料不易受潮、污損或混入雜質(zhì)，同時(shí)可減少揚(yáng)塵，改善環(huán)境衛(wèi)生；輸送過(guò)程中能同時(shí)進(jìn)行物料的混合、分級(jí)、干燥、加熱、冷卻和分離過(guò)程；可方便地實(shí)現(xiàn)集中、分散、大高度、長(zhǎng)距離及各種地形的輸送。第23頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天缺點(diǎn)：動(dòng)力消耗大，