04第四章颗粒流体力学

1、颗粒流体力学颗粒流体力学 多相流具有以下特点： 颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律各异； 由于固体颗粒与液体介质的运动惯性不同，因而颗粒与液体 介质存在着运动速度的差异-相对速度； 颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互碰撞和摩擦对运动有较大 影响，并且这种摩擦和碰撞会产生静电效应； 在湍流条件下，气流的脉动对颗粒的运动规律以及颗粒的存 在对气流的脉动速度均有相互影响； 由于流场中压力和速度梯度的存在、颗粒形状不规则、颗粒 之间及颗粒与器壁之间的相互作用等原因，会产生颗粒的旋 转，从而产生升力效应。 两相流的基本性质 在流动体系中，颗粒的体积、质量和密度分别为Vp、 Mp和p，液体的体积、质量和密度

2、分别为Vf、Mf和 f，则两相流的总质量、总体积和密度分别为Vp、 Mp和m，显然有： mpf mpf MMM VVV 体积浓度Cv：固 体颗粒的体积占 两相流总体积的 分数。 p v pf mf pf V C VV 单位体积液体所拥 有的固体颗粒体积 为： p mf v fpm V C V 质量浓度：单位质量的两相流体中所含固体颗粒的质量，以 Cw表示： ppp mf wv pfpfmm M CC MM 单位质量的流体介质中所含固体颗粒的质量 pp mf w fpmm M C M 在颗粒浓度很高的两相流中，常用到空隙率的概念 w mp wff v ww mm f w fp p 1 C VV

3、1 CV 1 C 1 CC VV 1 C1 两相流的黏度：两相流中颗粒浓度不大时，其黏度与流体近 似。当颗粒浓度增大时，其黏度也随之增大。 A.Einstein提 出了如下两相流黏度计算式： 2 1 0.5 1 v mf v C C 两相流的密度：单位体积的两相流中所含固体颗粒和 流体介质的质量分别称为颗粒相密度和介质相的密度 pf m fmp mm f ww f w pf p MM M VV 1 C1C 11C 两相流的比热容 定压比热容： pmppwpfw CC CC1 C 定容比热容： vmvpwvfw CC CC1 C 式中，Cpp和Cpf分别为颗粒颗粒相和液体相的定压 比热容，Cpf

4、和Cvf分别为颗粒相和液体相的定容比 热容。 两相流的比热容之比：两相流的定压比热容与两相流的比热容之比：两相流的定压比热容与 定容比热容之比，其表达式为：定容比热容之比，其表达式为： 1 1 1 1 1 1 pmppwpfw vmvmwvfw w w w w CC CCC CC CCC C C K C K C 当Cw大于0.8时，迅速接 近于1，而=1的流动为等 温流动，因此可以将质量 浓度大的气固两相流动看 出是等温流动。等温流动 具有如下性质：由于颗粒 的热容量大，混合物膨胀 或压缩引起的气体温度变 化可从颗粒的热交换得到 补偿而不致影响颗粒和两 相流的温度。 pfpp vfpf CC

5、K=; CC 颗粒相的Cpp=Cvp=C 两相流的热导率：两相流的热导率： 2 2 100 2 100 vfp fp mf v fpfp C C 颗粒在流体中的运动 颗粒运动时的阻力：Newton阻力定律 2 2 d u FC A 2 2 42 dp u FCD 2 3 6 t cpp u FD r Fd-流体阻力，u-颗粒与流体的相对速度，A-颗粒的 迎流面积，-流体的密度，C-阻力系数，Dp-球形颗 粒的粒径。Ut-颗粒的圆周速度，r-颗粒作圆周运动 的半径。 重力和浮力 3 6 gpp FDg 3 6 ap FDg 离心力 阻力系数C-是颗粒雷诺数 Rep的函数。 Re p p Du 球

6、形颗粒的阻力系数与雷诺数的关系 球形颗粒沉降情形下， 根据颗粒雷诺数的大小， 大致可分成层流区、过 渡区和湍流区， 可按下面的公式近似计算其阻力系数。 层流区（Stokes区） 4 24 10Re1 Re p p C 过渡区（Allen区） 10 1Re500 Re p p C 5 500Re2 100.44 p C 4.8 0.63 Re p C 湍流区 此外用于整个区域 的近似公式为： 颗粒在流体中的运动服从牛顿第二定律 重力沉降：假定颗粒为球形且颗粒在运动过程中，相互之间 无任何干扰和影响，即属于自由沉降，则最大沉降速度为： 4 3 pp m gD u C 不同沉降区的沉降末速度 在St

7、okes区： 2 18 p msp g uD 在Newton区： 3 pp mN gD u 1/3 2 4 225 p mAp g uD 在Allen区： 习题习题 试求相对密度为2.65，粒径为10m的石英颗粒在200C的水 中自由沉降末速度。 在一定的介质和一定的温度条件下，一定密 度的固体颗粒的沉降末速度仅与粒径大小有 关，颗粒大者沉降末速度也大。因此可以根 据沉降末速度的不同实现大小颗粒的分级。 沉降末速度的修正沉降末速度的修正 颗粒形状的修正：形状对沉降速度的影响可 用球形度来表示： =颗粒的等体积球的表面积/颗粒的实际表 面积 等体积当量径Dpv来计算沉降速度。 在层流区：umc=

8、Kums 0.843lg 0.065 K 在湍流区，沉降速率通式中的C=5.31-4.88 浓度修正：如果颗粒的浓度较小，相邻颗粒 间的距离比颗粒直径大得多，可认为颗粒在 沉降过程中无任何相互作用，这种沉降为自 由沉降。 当颗粒浓度较大时，颗粒之间相互干扰，此 时的沉降为干扰沉降。必须对沉降速度进行 修正： 18 1 pm mcms m mV Kg uKu kC 式中：K-常数，m-分散体系的密度，m-分散体系的 黏度，k-与颗粒形状有关的常数，球形时为2/5，Cv-颗 粒体积浓度 离心沉降 当Cv0.02时，采用下式计算： exp 1 v m v k C qC 离心加速度比重力加速度大2个数

9、量级，因此，离心沉降能 使沉降速度大大加快，同时可使细颗粒从分散体系中分离出 来。 22 0 ln 18 pp Dt r r 流体通过颗粒层的透过流动流体通过颗粒层的透过流动 研究表明，单位时间有流量为Q，流体黏度 为，颗粒层迎流断面面积为A，层厚为L， 压力差为p，则平均流速为： / D p uQ Ak L 式中，kd为透过率，由颗粒层物性决定，实 际上，上式表示的是空管流速。 设颗粒层的空隙率为，则流体在其中流动 的表观流速为： e u u 3 2 2 0 1 e v Lp u LL kS 式中：k0为取决于通道断面形状的常数； L/Le为弯曲率(Carman-Kozeny关系式) 采用此

10、原理，Blaine测试水泥等粉末材料的比表面积。 透过流动的应用： 颗粒层过滤除尘器：含尘气体通过颗粒层时，其中的颗粒 被阻留在颗粒层中； 固定床热交换器 流体透过法测定粉体的比表面积 颗粒的悬浮运动 当流体通过颗粒料或粉料层向上流动时，随着流体速度、颗 粒性质及状态、粉料高度和空隙率的不同，会出现各种不同 的颗粒流体力学状态： 固定床：当流体速度很小时（ufumf），粉体层静止不动，流 体从彼此相互接触的颗粒间的空隙通过，空隙率不变。 流化床：颗粒之间保持相互接触状态的最疏排列。流速一旦 超过umf时，将不再保持固定床条件，粉体层开始悬浮运动， 此时的床层状态称为流化床状态，空隙率增加。 气

11、力输送：当流体的速度增大到与颗粒的自由沉降速度相 当时，固体颗粒开始被流体带出，这时的流体速度称为最 高流化速度。从此时开始，流速越大，带出的颗粒也越多， 系统空隙率越大，压降减小，颗粒在流体中形成稀相悬浮 态，并与流体一起从床层中吹出，该状态称为气力输送状 态。这一阶段可认为床层高度膨胀至无限大，空隙率接近 ，此时系统中固体浓度降低得很快，使原来流化 床中的气体与固体间的摩擦损失大大降低，从而使总压降 显著减小。 气固系统的流化床为聚式流化态，固液系统的流化态为散 式流化态。 临界流化速度： 22 2 2001 ppc mf mf mf Dg u 上式中，和难以确定，采用上式计算时偏差 往往

12、较大，因此常采用下式计算： 2 / mfmfpp uC Dg 40.0625 3 Re106.05 10Re 20Re60002.20 10Re 0.555 mf mf C C 作业作业：在内径为102mm的圆筒内填充0.11mm的 球形颗粒，填充层高度为610mm，颗粒密度为 4810kg/m3，试求颗粒被400C、1大气压的空气流 态化时的最小流化速度。 气力输送气力输送 与机械输送相比，气力输送具有以下优点： 直接输送散装物料，不需要包装，作业效率高； 设备简单，占地面积小，维修费用低； 可实现自动化遥控，管理费用少； 输送管路布置灵活，可实现合理化配置； 输送过程中物料不易受潮、污损或

13、混入杂质，同时 可减少扬尘，改善环境卫生； 输送过程中能同时进行物料的混合、分级、干燥、 加热、冷却和分离过程； 1.可方便地实现集中、分散、大高度、长距离及各种 地形的输送。 缺点： 动力消耗大，特别是短距离输送时非常明显； 需配备压缩空气系统； 不宜输送黏附性强的物料及颗粒大于30mm的物料。 1.气力输送系统可分为吸送式、压送式或两种方式相结合三 种。 气力输送系统的主要参数 输送管内的风速：由于气力提升泵为低压输 送，故用风量较大，最佳风速为1620m/s, 而螺旋泵和仓式泵为高压输送，风速为12 16 m/s即可。也可用下式计算： 1 uKV 式中：V-仓的容积 固气比：单位时间内通过熟料管断面的固体 粉料的质量与气体质量之比