旋流场内分散相颗粒的受力特性分析

1、旋流场内分散相颗粒的受力特性分析SeriesNo.378December2007金属矿山METALMINE总第378期2007年第l2期旋流场内分散相颗粒的受力特性分析李雪斌卫袁惠新曹仲文(1.江南大学;2.安徽理工大学;3.江苏工业学院)摘要应用两相流动力学理论,对旋流场内分散相颗粒的受力进行了全面的分析,并将诸力划分为确定性的作用力和随机性的作用力两个部分.在此基础上,建立了,分散相颗粒随机运动微分方程,为进一步深入认识旋流场内分散相颗粒的运动行为奠定了基础.关键词旋流场颗粒受力特性随机运动微分方程CharacteristicsAnalysisofForcesonDispersalPart

2、iclesinSwirlingFlowFieldLiXuebin,YuanHuixinCaoZhongwen(1.JiangnanUniversity;2AnhuiUniversityofScienceandTechnology;3.JiangsuPolytechnicUniversity)AbstractTheforcesactingonthedispersalparticlesinaswirlingflowfieldareanalyzedinanallroundwaybyapplyingthetheoryoftwophaseflowdynamics,andtherelevantforces

3、areclassifiedintodefinitiveforcesandstochasticforces.Onthisbasis,adifferentialequationofthestochasticmotionofdispersalparticlesisestablished,layingaundationforthefurtherstudyofthemotionbehaviorofdispersalparticlesinaswirlingflowfieldKeywordsSwirlingflowfield,Particle,Forcecharacteristics,Differentia

4、lequationofstochasticmotion旋流器是一种非均相快速传质设备,在矿山,化工,石油,轻工,环保,食品,医药,纺织与染料,冶金,机械,建材等众多行业得到了越来越广泛的应用.但是,旋流器内的流场是一种极其复杂的两相或多相湍流流场,目前关于旋流场中的传质递机理方面的研究还存在着很多不足之处,人们对于旋流器内流场的分布,分散相颗粒的受力及运动状态等方面的认识还不够深入.为此,本文根据目前两相流体动力学的研究成果,对分散相颗粒在旋流场内的受力特性进行分析,并根据旋流场的不同情况进行简化,在此基础上建立分散相颗粒随机运动微分方程,为深入认识旋流场的传质特性,改进和优化旋流器的结构和操

5、作性能提供有意义的帮助.1旋流场内分散相颗粒的受力情况根据两相流动力学理论,分散相颗粒在旋流场中除受重力外,还受离心力,流体阻力,颗粒加速度力,流体不均匀力和粒间作用力等,受力情况相当复杂.下面对上述诸力进行分析讨论.1.1离心力在旋流场中,离心力F是分散相颗粒向器壁运动的动力.文献关于离心力的论述已经颇多,现直接给出其计算公式:F.=3pUo,(1)式中,d为分散相颗粒直径;P为分散相颗粒密度;U为连续相切向速度;r为分散相颗粒径向位置半径.1.2流体阻力流体阻力是指在流体完全均匀,颗粒作匀速运动时流体作用在颗粒上的力,由摩擦阻力和压差阻力两部分构成.在两相流场中,颗粒所流体受阻力的大小可表

6、示为=C(“,(2)式中,P,为连续相密度;U为连续相速度;为颗粒速度;C为阻力系数,其表达式为CD=24+o.4,0Re2×10,(3)式中,肫为雷诺数,其表达式为李雪斌(1965一),男,安徽理工大学机械工程学院副教授,江南大学机械工程学院博士研究生,232001安徽省淮南市安徽理工大学机械工程学院.总第378期金属矽山2007年第12期Re:(M一),(4)tx式中,为连续相动力粘度.流体阻力的方向与(U一)的方向一致.实际上,在两相流湍流的情况下,c不仅与雷诺数有关,而且与湍流强度,稀薄效应,可压缩性,颗粒的非球性等因素有关.如果连续相为液体,则对流体的诸多因素可以不计,但是

7、当连续相为气体时,在某些情况下一些因素是不能忽视的.在旋流场中,分散相颗粒在切向和轴向与连续相具有较好的跟随性,一般情况下只考虑径向流体阻力,且Re<1,因此上述流体阻力公式可简化为斯托克斯公式F1)r=37r/xd(U,一),(5)式中,U,为连续相的径向速度;为颗粒的径向速度.1.3颗粒加速度力颗粒加速度力是颗粒作变速运动时流体作用于颗粒上的附加力,包括视质量力,巴西特(Basset)力和对流体积力.在两相流场中,颗粒所受视质量力可表示为=盯d,(6)该力的方向与d(的正负有关.对于P<<P的两相流流动,视质量力可以忽略不计;但对于P一P.的两相流

8、流动,视质量力的影响是很大的.当颗粒在粘性流体中作变速运动时,颗粒附面层的影响将带着一部分流体运动.由于流体有惯性,当颗粒加速时,它不能立刻加速,当颗粒减速时,它不能立刻减速,因此,颗粒会受到一个随时问变化的流体作用力,这个力就是巴西特(Basset)力F,其表达式为3ffd2Jff(t,志r,(7)式中,tp0为颗粒开始加速的时刻;f为颗粒加速运动的终止时刻;r为颗粒加速运动过程中的任一时刻.巴西特力的方向与颗粒加速度的方向相反.在湍流场中,不仅连续相的速度存在脉动,由于附面层的影响,颗粒的速度也存在脉动.一般可用表示.因为这种波动的瞬时值不为零,故存在着加速度.d.,这使颗粒受到一个附加力

9、,称为对流体积力,其表达式为F=mn:”aT3du,(8)式中,m为颗粒质量.从视质量力,巴西特力,对流体积力的计算公式和旋流场的速度分布情况可以看出:分散相颗粒在旋流场中受到的上述3种力的大小和方向都是不确定的,实质上都是随机作用力.1.4流体不均匀力流体不均匀力是由于流场的不均匀性而引起的作用于颗粒上的力.在旋流场内,连续相压力的不均匀性会引起压力梯度力(浮力)F,连续相速度的不均匀性会引起速度梯度力;而速度梯度力又包括马格纳斯(Magnus)力和滑移一剪切升力即萨夫曼(Saffman)力F.1.4.1径向压力梯度力(浮力)F在旋流场中,切向和轴向压力梯度较小,径向压力梯度最大,故只考虑径

10、向压力梯度力(浮力),其大小为2F一”6rrd3Uo,(9)方向沿径向指向轴心.1.4.2马格纳斯力在旋流场中,由于连续相的切向速度在径向存在较大梯度,颗粒在径向的两侧相对速度不同,可引起颗粒旋转.由于附面层的影响,颗粒旋转将带动流体运动,使得颗粒相对速度较高一侧的流体速度增加,压强减小,另一侧则反之.此种现象称为马格纳斯效应.马格纳斯效应会使旋转颗粒在径向受到向压强减小一侧的力的作用,此力即为马格纳斯力.一般剪切流场中,马格纳斯力的具体表达式为=rd3po9u,(1O)式中,为常数,对于大颗粒取0.09,而一般小颗粒可取7r/8;o9为颗粒的旋转角速度;u为颗粒相对于连续相的速度.分散相颗粒

11、除了因连续相的速度梯度而引起旋转以外,还可因颗粒的形状不规则使得各点所受到的形状阻力不同而造成旋转.另外,颗粒间及颗粒与壁面间的摩擦,碰撞等也可以造成颗粒旋转.李雪斌等:旋流场内分散相颗粒的受力特性分析2007年第12期由于旋流场内分散相颗粒旋转方向,旋转强度以及连续相湍动强度的不同会使马格纳斯力的大小和指向随位置发生变化,因此马格纳斯力实质上也是一种随机作用力.1.4.3径向滑移一剪切升力F.,Saffman曾经指出,颗粒处在有速度梯度的流场中时,即使不旋转也将承受横向力的作用.此力称为滑移一剪切升力,其大小为IIFL=6.46(pf/x)I:I_Ou【lM一l,(11)oyI式中,Y为与运

12、动方向垂直的坐标.F.的方向与速度梯度的方向一致.d在旋流场中,由于连续相的切向速度沿半径方向存在较大的速度梯度,故颗粒受到一个沿径向并指向轴心的滑移一剪切升力F,其计算公式推导如下.由旋流场中连续相的切向速度Mn=Cr一,(12)可得duo:一nCr-n-:(13)dr而分散相颗粒相对于连续相的切向相对速度/,.=/,一=O/,.=olCr,(14)式中,12为流体特性指数;C,Ol为由旋流场边界条件决定的常数.将式(13),(14)代人式(11),整理后得FI=6.46ol(pxnr一)M.(15)1.5分散相颗粒之问的作用力根据颗粒流理论,颗粒之间的相互作用力由摩擦力,弥散力和碰撞力3个

13、部分组成.在旋流场内,由于边界层及其附近存在较高颗粒浓度的低剪切运动,因此客观存在着颗粒之间的相互摩擦力,其大小和方向与颗粒问的接触情况有关,属于一种随机作用力.流场中由于颗粒问位置交换引起的作用力称为弥散力.在旋流场中,绝大多数情况下弥散力是存在的】.由于旋流场内颗粒位置不仅与颗粒随机扩散有关,而且与颗粒所受前述诸力有关,而颗粒所受前述诸力与颗粒在旋流场中的位置相关联,因而弥散力也是一种随机作用力.在旋流场中颗粒浓度相对较高的地方,颗粒之间不可避免地存在碰撞现象.由于颗粒间碰撞的机率,位置,程度和方式都是随机的,因此碰撞力也是随机的.2分散相颗粒随机运动微分方程通过对旋流场内分散相颗粒的受力

14、分析可知:分散相颗粒的受力可以划分为两个部分:确定性的重力,离心力,流体阻力,流体浮力和滑移一剪切升力,随机性的视质量力,巴西特力,对流体积力,马格纳斯力和分散相颗粒之间作用力.各种随机性作用力可以用1个综合随机作用力F(t)来表示.因此,在不考虑干涉沉降并假设P,<P.的前提下,分散相颗粒沿径向的沉降运动方程可表示为“IT;警=F一一F+F).(16)上式即为分散相颗粒在旋流场中的径向随机运动微分方程.该方程不仅考虑了控制分散相颗粒运动的主要因素,而且还对次要的或目前还不清楚的作用因素也予以关注,因此能更全面地描述旋流场中颗粒的运动特征.将式(1),(5),(9),(15)代人

15、上式,整理后得dvr(一一豢卜.46(p)M.3/+F(t).叩pdp叩pd(17)当旋流场中两相密度差非常大(如固一液体系,液一气体系)时,有f1一Pf11;另外,当雷诺,Pp数较小时,滑移一剪切升力与流体阻力相比可以忽略不计.如此,令单位质量颗粒所受随机力F(t):(t),则(17)式可简化为rrpv”pdvr:譬一()+(t).(18)dt一Pod:UrUr考虑到微小颗粒运动的随机力可以用高斯白噪声随机过程来模拟,同时考虑到_fdvr=警=警(9)ddrdtdr且:L,(20)结合式(12),(18),(19),(20),显然可以给出旋流(下转第134页)总第378期金酝碍2007年第1

16、2期在沉铁过程中应按Fe的氧化速度来加入锌化合物,也即严格控制pH值在3.5左右,这样不仅可降低锌的消耗量,而且可减少铁精矿中的锌含量,使铁精矿纯度提高,同时也不会生成胶质状的Fe(OH)而造成铁精矿与硫酸锌溶液分离困难.4.4.2沉碱式碳酸锌用碳酸氢铵沉碱式碳酸锌是成熟工艺¨,关键是工艺过程控制.试验中碳酸氢铵的用量为理论量的2.85倍,可使沉锌率达到97.57%,锌的损失较少.为避免环境污染,沉碱式碳酸后产生的硫酸铵用经典方法两效蒸发法予以回收,同时产出蒸馏水返回使用.5结论(1)所提出的用锌焙砂中浸渣制备铁精矿的工艺在传统工艺的基础上稍加改进就能实施,可使铁资源得到较充分的回收

17、利用,渣量大大减少.(2)该工艺仍能直接从除铜后液中萃取铟,避免了铁钒渣的处理带来的低浓度二氧化硫烟气对环境的污染,对铟的高回收率没有影响.(3)沉铁所用锌原料为利用沉铁后液生产的过程产品,多余的沉铁后液返回中浸作业,整个工艺过程中锌的损失量很少,锌的综合回收率不会降低.(4)制备出的铁精矿平均含铁51.92%,可作为高炉炼铁的原料,也可以作为制备铁红和高纯铁精矿的原料.参考文献1何醒民.湿法炼锌技术的发展与展望】.工程设计与研究,2005,118(9):25-27.2345马荣骏.湿法炼锌中的除铁问题J.湖南有色金属,1993(3):161.李洪桂,等.湿法冶金学M.长沙:中南大学出版社,2

18、002.彭容秋.铅锌冶金学M.北京:科学出版社,2003.梅光贵,王德润,等.湿法炼锌学M.长沙:中南大学出版社,200】.6唐谟堂,李仕庆,杨声海,等.一种无铁渣炼锌方法:中国,03124553.6P.2003-03-20.7夏志华,唐谟堂,李仕庆,等.锌焙砂中浸渣高温高酸浸出动力学研究J.矿冶工程,2005,25(2):23-27.8李洪桂.冶金原理M.北京:科学出版社,2005.9关亚君.湿法炼锌常规工艺铁的浸出及沉铁pH值的研究J.稀有金属,2006,30(3):419-421.1O李仕庆,刘伟峰,唐谟堂,等.从无铁渣湿法炼锌流程还原补锰液中萃取铟J.吉林大学:自然科学版,2004,25(4):1418.11唐谟堂,李仕庆,杨声海,等.无铁渣湿法炼锌提铟工艺】.有色金属:冶炼部分,2004(6):27-29.12李仕庆.高铁铟锌精矿无铁渣湿法炼锌提铟及铁源高值化利用工艺与原理研究D.长沙:中南大学,2006.(收稿日期20071015)(上接第103页)场中分散相颗粒径向速度沿径向位置分布的关系式E2=r),进一步分析可以得到分散相颗粒的径向3运动特性时间t=I.限于篇幅,本文不再赘述.jU3结语比较全面地分析了旋流场中分散相颗粒的受力情况,对分散相颗粒所受诸力的成因,特点,大小和方向作了比较全面的介绍,并将这些力划分为确