颗粒-流体两相运动四川大学化工原理.ppt

第四章 颗粒流体两相流动 流体与颗粒的相对运动流体与颗粒的相对运动 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。 颗粒表面对流体有阻力，流体则对颗粒表面有曳力。 阻力与曳力是一对作用力与反作用力。 由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面 的复杂性，流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体 壁面上要复杂得多。 爬流(Creeping flow)： 来流速度很小，流动很 缓慢，颗粒迎流面与背 流面的流线对称。 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 在球坐标系中用连续性方程和N -S方程可得到颗粒周围流体中剪 应力 r 和静压强 p 的分布为 式中p0为来流压力。 流体对单位面积球体表面的曳力（表面摩擦应力）为 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） r 在 z 轴的分量为 表面曳力 (Wall drag) 所以整个球体表面摩擦曳力 在流动方向上的分量 F 为 z d d 0 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为 浮力 Fb 与流体运动无关 流体对颗粒的形体曳力 Fp 正比于流速 u 形体曳力(Form drag) 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和 斯托克斯（Stockes）定律 严格说只有在 Rep 2105，湍流边界层区 边界层内的流动也转变为湍流，流体动能增大使边界层分 离点向后移动，尾流收缩、形体曳力骤然下降，实验结果 显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象，CD 0.1。 曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 曳力系数 CD 与颗粒雷诺数 Rep 的关系 流体绕球形颗粒流动时的边界层分离 自由沉降与沉降速度（Free settling and settling velocity） 单颗粒（或充分分散、互不干扰的颗粒群）在流体中自由沉 降时在所受合力方向上产生加速度 合力为零时，颗粒与流体之间将保持 一个稳定的相对速度。 Fd Fg Fb ut 由颗粒与流体综合特性决定，包括待定的曳力系数CD 重力场中的沉降速度 自由沉降与沉降速度（Free settling and settling velocity） 颗粒-流体体系一定，ut一定，与之对应的Rep 也一定。 根据对应的 Rep，可得到不同Rep范围内 ut 的计算式： (1) Rep ut ， up 0， 颗粒向上运动； u 280 (Rep 1000) 时，欧根方程右侧第一项可忽略。 即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。 固体颗粒流态化固体颗粒流态化 ( (Fluidization) Fluidization) 流态化(流化床)：颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。 强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。 流态化过程及流化床操作范围流态化过程及流化床操作范围 流态化过程床层压降及床高变化曲线 初始流态化： 临界流化速度 umf 临界空隙率mf 颗粒被气流带出： 带出速度 u（=ut） 流化床操作范围：临界流化速度 umf 与带出速度之间 临界流化速度临界流化速度 umf是流化床的特性，是固定床变为流化床的一个转折点。可 由实验测定的pb u 曲线得到较准确的值。 初始流化时，床层内颗粒群（注意不是单颗粒）所受的曳力 、浮力与重力相平衡，即流体通过床层的阻力 pb 等于单位 床层面积上颗粒所受的重力与浮力之差 因该状态下床层压降也符合欧根方程，将其与上式联立并用 （AdeV）代替 dea，可得 临界流化速度临界流化速度 当 deV 较大，umf 对应的Rep1000 时，左侧第一项可忽略， 注意：计算 umf 的准确程度及可靠范围取决于关联式本身。 应充分估计 umf 计算值的误差。最好以实验测定为准。 颗粒几何性质及床层 mf 可用经验式估算 当 deV 较小，umf 对应的 Rep10%pb，且0.35mmH2O) 可使 气体初始分布均匀，以抑制气泡的生成和沟流的发生。 多孔板风帽 管式 内部构件：阻止气泡合并或破碎大气泡。 宽分布粒度：宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。 床层振动： 气流脉动： 聚式与散式流态化的判断聚式与散式流态化的判断 散式流态化（散式流态化（Particulate fluidizationParticulate fluidization）：）： 特征：颗粒分散均匀，随着流速增加床层均匀膨胀，床内空 隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。 散式流态化是较理想的流化状态。一般流-固两相密度差较 小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。 聚式流态化（聚式流态化（Aggregative fluidizationAggregative fluidization）：）： 特征：颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构。即颗粒浓度与 空隙率分布较均匀且接近初始流化状态的连续相(乳化相)和 以气泡形式夹带着少量颗粒穿过床层向上运动的不连续相( 气泡相)。又称鼓泡流态化。 一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。 聚式与散式流态化的判断聚式与散式流态化的判断 气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化的 唯一依据，在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密 度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化( 重金属颗粒在水中流化)行为。 散式流态化 聚式流态化 临界流化条件下的弗鲁德数，D为床径 根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero 和 I.N.Johanson 提出了如下的准数群判据： 流化床床层高度及分离高度流化床床层高度及分离高度 流化数流化数 散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律 聚式流化乳化相的空隙率几乎不变，床层膨胀主要由气泡相 的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个较难确定的参数。 床层的流化状态和流化质量与流化数有很大关系 实际操作流速与临界流化速度之比 u/umf 膨胀比膨胀比 R R 流化床的膨胀高度 L 与临界流化高度之比 流化床床层高度及分离高度流化床床层高度及分离高度 分离高度 H 或 TDH（Transport Disengaging Height）： 流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落的高度。超 过这一高度后颗粒将被带出。TDH 的确定对流化床气体出 口位置的设计具有重要意义。 广义流态化体系广义流态化体系 对高流化数(数百)下的操作，可在床顶设置旋风分离器将随 气流带出的颗粒(ut 15） 负压体系：一般为稀相输送 气力输送的类型及装置气力输送的类型及装置 正压体系： 低压：100 kPa；中压：300 kPa；高压：1000 kPa 气力输送的类型及装置气力输送的类型及装置 组合体系： 气力输送的类型及装置气力输送的类型及装置 气力输送系统风机的选用气力输送系统风机的选用 风机特性曲线与流型图上的压降 特性曲线适配。 如图，加料量为 G1 时，风机 II 和风机 I 均能满足稀相输送的操 作条件。 加料量增加到 G2 时，风机 I 已不 能满足稀相输送的条件。 加料量增加到 G3 时，两台风机 都不能满足稀相输送的条件。风 机特性曲线越陡峭（如正位移式 风机），在稀相输送区操作