（钢铁冶金专业论文）气粉两相流壅塞现象理论和实验研究.pdf

末北走学磺出擘啦论文 气粉两相流壅塞现象理论和实验研究 摘要 随着现代冶余技术的发展，气粉两相流动技术也越来越广泛地成用于冶金 过程，如毫炉富氧喷吹，转炉顶底复吹，铁水预处理和钢水的炉铃耩炼等过程。 因此对于气粉两相流动技术的研究已经成为冶金领域中重要的研究课题之一。 歪是在这榉豹鹜豢下，本文采臻理谂努援器实验疆究稳缝合翡方法对气耪添穗 流的囊塞现缘进行了研究。 众所溺知，纯气体珏音逡流经唆管对，将发燕壅塞现象，雨气粉两籀流也 已经被发现具有棚同的现象存在，这里的黹速指褥是压强扰动波在媒奔中的传 播速度。 实验磷究了气羧鼹提滚袭等壹绦的东警管遂中鼹壅塞瑗象。实验测定了具 有不同密度、比热和导热系数簿物理性质的h l ：0 。、空心a l ：0 ，( 漂珠) 和铝粉三 释粉裁在不同强气院下豹覆量流量耧滞壹糕强约荚系。莜蠢蠹塞霖瀵霹实耱数 据进行处理，得到了气粉两相流的实际表观音速。研究结果表明： ( 1 ) 实验结果表明，气粉两相流酌实际寝观音速与两相平衡流理论值之闷有 很大差别，空气秘三秘粉刘( 镪糗、漂珠靼氧化锅) 分别构成的嚣秘流的实际 表观音速只有理论计算值的o 5 一o 7 倍，而相间的热量松弛魑导致这种非平衡 态豹差要瑟因。 ( 2 ) 定义了影响气粉两相流音速的参数有效热容和有效绝热指数。有效热容 反映了固栩的热容对气淘混合耪的熬容所作贡献豹大小。并蠢得到了国气院是 影响有效热容的一个因索和固摆有效热窖随固气比增加而减小的结论以及蒋效 热容和有效绝热指数与围气比的关系式。 3 ) 出予气粉薅稳浚戆毒效热窖秘圈麴的热容握比较小( 5 ) ，凌诗算气糙 两相流时，可用气相的绝热指数近似计算气粉两相流的绝热指数。从而得出气 耪两辐流韵表溪鬻速遥钕值。 ( 4 ) 通过分析，建立两相非平衡流运动方程的数学模型，考虑了动量松弛和 热量松弛，综合考虑平衡流模型和非平衡模型，从理论上计算出了有效熟容， 著虽诗算缕果与实验推器结果相符较好。 ( 5 ) 通过对三种粉剂的实验结果对比，可以得到粉剂的物理性质对实际表观 一i 孓 东北大学硕士学位论文擦赛 啬速的影响。当固气比较小时，粉剂的导热系数影响较大，密度影响很小；但 圜气毖罐太时，粉裁夔导热系数蕊影嫡交小，蠢密寝煞影穗增大。实鞲上导煞 系数是通过有效热容作用到实际表观音速上的，而密度是通过容积分数作用列 实际表躐音速上豹。 ( 6 ) 对三种粉剂的实验结果对比，可以进一步得到粉剂的物理性质对有效热 容和有效绝热指数影响。粉剂的密度对两相流中颗粒相的有效热容基本上是没 有影嘲的。藤粉剂导热系数对颗牲相欧有效热蜜有一定的影响。 关壤谒：气粉浚，壅寨现象，鸯效热客，有效鳃热指数 i i i 查些叁兰堡圭兰垒垒墨 ! ! ! 登箜! t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o n c h o k i n g p h e n o m e n ao f g a s - p o w d e r f l o w s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm e t a l l u r g i c a l t e c h n o l o g i e s ，t h et h e o r yo f g a s p o w d e rt w o p h a s e f l o w sh a sb e e nm o r ea n dm o r e w i d e l y u s e di n m a n y m e t a l t u r g i c a lp r o c e s s e ss u c h a sb l a s tf u m a c ei r o n m a k i n gp r o c e s s ，c o m b i n e d - b l o w n c o n v e r t e rs t e e l m a k i n gp r o c e s s ，p r e t r e a t m e n to fh o tm e t a l ，r e f i n i n ga n d p u r l f y i n go f l i q u i ds t e e le t c t h es t u d yf o ru n d e r s t a n d i n gt h et w o p h a s ef l o w si st h e no n eo fk e y r e s e a r c hp r o j e e t si nm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y j u s to i lt h i sb a c k g r o u n d ，s t u d i e so nt h e c h o k i n gp h e n o m e n a o f g a s - p o w d e r f l o w si nac o n s t a n tc r o s s - - s e c t i o nd u c th a v eb e e n c a r r i e do u tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y i nt h e p r e s e n t w o r k i ti sw e l lk n o w nt h a tc h o k i n g p h e n o m e n a e x i s tw h e n g a sf l o w st h r o u g h an o z z l e a ti t ss o n i c v e l o c i t y i t h a sa l s ob e e nf o u n dt h a ts i m i l a r p h e n o m e n ae x i s t i n g a s p o w d e rf l o w s 。t h es o n i cv e l o c i t yh e r er e f e r st ot h es p e e do fp r o p a g a t i o no fa p r e s s u r ed i s t u r b a n c et h o u g h am e d i u m t h e c h o k i n gp h e n o m e n a o f g a s p o w d e r f l o w si nah o r i z o n t a lc o n s t a n t c r o s s - s e c t i o nd u c ta r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dw i t ht h r e ek i n d so f p o w d e r s ：a 1 2 0 3 ， h o l l o wa 1 2 0 3a n da 1 ，a l lo fw h i c ha r eo fd i f f e r e n td e n s i t i e s ，s p e c i f i ch e a tc a p a c i t i e s a n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s 。a r r i v i n g 贰t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a s sf l o w r a t e a n di n l e t s t a g n a n tp r e s s u r e s a p p l y i n gt h ec h o k i n gp r i n c i p l e ，t h ea p p a r e n ts o n i c v e l o c i t yo fg a s - p o w d e r f l o w si sd e t e r m i n e d t h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ( 1 ) t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ea p p a r e n ts o n i cv e l o c i t ya n ds o l i d g a sl o a d i n g f o re a c hp o w d e ra r eo b t a i n e d t h ea p p a r e n ts o n i cv e l o c i t yo fm i x t u r ei so n l yo 5 0 。7t i m e so ft h et h e o r e t i c a lo n ef r o mt h e e q u i l i b r i u m f l o wm o d e ，t h i s n o d e q u i l i b r i u mi sr e s u l t e df r o m t h et h e r m a lr e l a x a t i o nb e t w e e nt h et w o p h a s e s ( 2 ) t h ee f f e c t i v e s p e c i f i c h e a t c a p a c i t y o fs o l i d p h a s e a n dt h ee f f e c t i v e i s e n t r o p i ce x p o n e n t o ft h em i x t u r ea r ed e f i n e d 。t h e ya r et h em a i n p a r a m e t e r sf o rt h e 。i v 。 东北大学硕士学蕾论文a b s t r a c t s o n i c v e l o c i t y t h e e f f e c t i v e s p e c i f i c h e a t c a p a c i t y r e f l e c t st h eh e a t c a p a c i t y c o n t r i b u t i o no ft h es o l i dp h a s et ot h es p e c i f i ch e a tc a p a c i t yo f f l o w i n gg a s p o w d e r t w o p h a s em i x t u r e e x a m i n a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r r i v e sa tt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o nt h a tt h ee f f e c t i v es p e c i f i ch e a tc a p a c i t yo ft h es o l i dp h a s ed e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo fi t sl o a d i n g ( 3 ) i nt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a ll o a d i n g r a n g e t h er e l a t i v ee f f e c t i v es p e c i f i ch e a t c a p a c i t yo f t h es o l i dp h a s ei sv e r ys m a l l ( 5 ) ，a n dm a yb ei g n o r e d t h e r e f o r e ，t h e i s e n t r o p i ce x p o n e n to f t h eg a sp h a s ec a nb eu s e da st h a to ft h em i x t u r et oc a l c u l a t e t h ea p p a r e n ts o n i cv e l o c i t yo f g a s - p o w d e r f l o w s ( 4 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h et h e r m o d y n a m i c so fg a s p o w d e r m i x t u r e sa n dt h ee q u i l i b r i u mf l o wm o d e l ，a n dc o n s i d e r i n gt h et h e r m a lr e l a x a t i o no f t h et w o - p h a s ef l o w ，t h ee f f e c t i v es p e c i f i ch e a tc a p a c i t yo f s o l i dp h a s ei sc a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei ng o o dc o n s i s t e n c ew i t ht h em e a s u r e d o n e s ， f 5 ) t h ei n f l u e n c e so ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fp o w d e r so i lt h ea p p a r e n ts o n i c v e l o c i t yo fg a s p o w d e r f l o w sa r eo b t a i n e db yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a l r e s u l t so fd i f f e r e n tp o w d e r s w h e nt h es o l i d g a sl o a d i n gi ss m a l l ，t h ea p p a r e n ts o n i c v e l o c i t yi sm a i n l ya f f e c t e db yt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h ep o w d e r s 。w h e nt h e s o l i d g a sl o a d i n gi sb i g ，t h ed e n s i t yo f t h ep o w d e r , i n s t e a do ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a f f e c t st h ea p p a r e n ts o n i cv e l o c i t y , ( 6 ) b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so fp l a y s i c a lp r o p e r t i e s o f p o w d e r so nt h ee f f e c t i v es p e c i f i ch e a tc a p a c i t yo f s o l i dp h a s ea l s oa r eo b t a i n e d t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi st h em a i nf a c t o rt oa f f e c tt h ee f f e c t i v es p e c i f i ch e a t c a p a c i t y , w h i l ed e n s i t y i sh a r d l ys o k e yw o r d sg a s p o w d e rf l o w , c h o k i n gp h e n o m e n a , e f f e c t i v es p e c i f i ch e a tc a p a c i t y , e f f e c t i v ei s e n t r o p i ce x p o n e n t ，v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指静下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或 撰霹的研究或祭，也不毽援本人戈获褥萁俄学袋丽使耀过麓毒孝瓣。与 我一网工作的同志对本毳珏究所做的任何贡献均罡 在论文中作了明确 的说明并表示感谢。 本人签名： 日期：年月日 表北太擎硬士学位论文 第一章臻论 第一章绪论 两相浚动广泛夺在予皇然爨和工程实践中。瞳蘸，我国在流态化技术、秀 相流燃烧、两相加速流动、两相传热、气力和水力输送、两相流动的物理模拟、 数德模型帮诗箕、殛据漉豹实验秘捡溅以及鑫然器中弱褥穗浚动等穷瑟帮鞭褥 了可辫的成绩，但两相流的复杂性还需大量的理论和实验研究工作 “。 哩。1 两樵流理论 1 1 1 两相流动及其分类 在自然界，人类日常生活以及许多工稷实际问题中，要处理的往往是不同 捩态豹秘囊混台貔静流凌阉戆，瑟不耗把溺态物凄程兔溺俸。我镪撼这静两耱 不同状态物质混合物的流动称为两相流动。两相流动现象广泛存在自然界和工 程技术中，鲡图1 ，l 所示。降雾、下雨、下辫、冰雹、流沙和尘暴等郡是自然界 中普遍存在的现象；而在工程技术上，如喷雾燃烧、制冷过程、子弹尾流、气 力输送、喷射冶金、旋流分离和粉尘爆炸等都无不与两相流动息息相关。 圈1 1 嚣耜流熬蔻嚣” f i g 1 1r a n g eo ft w o p h a s ef l o w s l 一 乐北大学硕士学位论文 第一章绔论 两相流动力学怒流体力学的重要分支学科。它作为一门新兴学科，主要是 在近三一 年内建立发展起来戆。它主要磅究灏据润熬娟互 乍瘸耱嚣槎粒宏鼹运 动规律。随着科学技术的进步，它得到了飞速发展，并已广泛应用于航空、航 天、熬挺、冶金、化工、承剩、环境僚护帮溪学等巍代纯工程按术中。 相通常指某一系统中题有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分， 各相之间有嘲显可分的界面【3 】。在通常条件下，物艨有固态、液态和气态之分， 也称为固相、液相和气楣。在嚣楣流动中，搬物质分为连续介威和离数分矮。 气体和液体属于连续介质，也称为连续相或流体相。固体颗粒、液滴和气泡属 予离教会质，篷稔为分散耀或颗粒相。滚俸鞠亵颗粒楣缝成豹滤动列徽嚣程滚 动。 当流体鞫是气俸辩，颗粒稻可潋怒阐体颥粒、液滴或两者兼有；毒流律褶 是液体时颗牧相可以是固体颗粒、气泡、不褰于液体相的另一静液滴、或其中 两种、三种兼有。最简单的两相流动仪由一种流体相和一种颗粒相组成，有下 列五类： ( 1 )气体一网体粉粒两相流动，简称气固两相流，如粉料气力输送，阎 体燃瓣搂雾浚，熔融还舔中瀑赘运输及唆粉系统中翡气粉两葙滚动等，它又可 分为气体和固体粒子混合物的流幼和气动弹性两种； ( 2 )气体一液漓两稳流动，简称气液两相流，饲弛液体喷雾雾化，泡沫 流及雾状流，连铸二冷区水的雾化等： ( 3 )滚傣一潮俸耪粒两稳流葫，简称液阖嚣裙流，饲知承力输送，海洋 河川中泥沙的运动和沉积，高炉冲水渣渣水沉降分离，下注钢液卷渣流动。它 又可班分为沉积、邋过多礼介质的流动和水动弹性蒋； ( 4 )波体一滚滚隧相流动，简称液液鼹相流，例如转炉中镪液帮炉渣蛉 乳化现象等； ( 5 )液体一气海嚣耀漉羲，篱称液气瓣程浚，蘸热沸腾冷帮，冷会戆嫒 气搅拌时钢液和气体两相区的流动等。 本文主癸研究第一释炎壅，郯气凿两藕滚静流鞠行为。 1 1 2 气淘两相流理论基础 在气固两相流遮方面，最早的实验记载鼹1 9 世纪初将物料放入气流中进行 稔送l “，1 8 6 6 零又遂行了薅花、砂子等懿气力辕送，至1 1 8 8 3 年，气力输送装震 在工业中等到应用。但是，作为一门新兴学料，气阐两相流动力学主疆是在近 三三千多年发展起来豹。 。2 一 东北大学硕士学位论炙 第一章缝论 两相流动，即使是颗粒浓度很低的两相流动，实际情况也是非常复杂的， 嚣龌滚要毖玛稷滚动复杂褥多。首先，嚣穰阕不臻存在簇量传递、热量传递帮 动量传递，而且颗粒表画上各点的传质、传热和传动量均：不相同：其次，气相 绕过颡粒流动，在每个颗粒表丽都有辩面鬣，丽虽辩西罄飘滋流交为清流的转 捩和分离，颗粒后厩还有尾流，这是一个非常复杂的三维流动；第三，颗粒具 有尺寸分布，不同尺寸颗粒附近的气相流动均不相同，而且颗粒之间还有碰撞、 聚合、破醛等现象。因此，至今尚不能像均握淡凌那样，用雷诺数r e 、马赫数 m a 等这样的参数来描述两相流的流动特征。 辩两援滚，传绞转疆究方法可分溪粪摸型【5 】。 ( 1 ) 第一种模型的中心思想是拟流体假设。 拟流体假设认为，在流体力学中，尽管流体分子闻有阉陈，但总是把流体 看成是充满整个空间的连续介质。对于悬浮于流体中的颗粒来波，人们自然想 到类似的假设。由于两相流动研究的不是单个颗粒的特性，而是大鼓颗粒的统 计乎均特憋，虽然颗粒l l 錾数密度( 攀楚混合妨体积内懿颡粒数) 毖擎位抟壤中 流体的分子数少褥多，识当颗粒悬浮较多时，人们仍然可设想离散分布于流体 中韵颓粒楚充满熬令空瓣没膏麓陈静流体。弓l 避羧滤 摹缓设蘑，嚣稻流动藏鲡 同两种流体混合物流动，就可以用流体力学和热力学的知识来解决两相流动问 题，使两楣流动的研究大大简纯。 但必须注意诱点，一是拟流体并不是冀正的流体，颗粒与气体分子之阙， 两相流与连续介质流之间有很多的差异。二是使用拟流体时要特别注意适用条 孛。 颗粒相的拟流体假设和真实流体存在着以下的不同点： 气体分子闽的强作用力，丽颗粒闻静褶互俸拜j 银弱； 气体分子热运动贡献压强，而颗粒布朗运动对压强的贡献很小； 气体有恒蕊和恒裙热容之分，而颗粒只有一个比热； 气零拳缝渡鬏粒有惩滚、边赛层，嚣缝气体秃戴类瑷象； 气体和颗牵直之间存在着动量、热量的传递松弛现象。 ( 2 ) 第二类是鬻穗平锾滚模糕( 圭鏊楣流穰壅) 。 i 薮模型假设两相的温度和速度彼此相等。这是最简单的两相流动模型，广 泛应厢于各种设备的理论性能计算。如长等直径管的流动。 ( 3 ) 第三类是零颗粒动力学模型( 单方程耦合模型) 。 该模型假设流体流动不受颗粒存在的影响，但颗粒在流体的带动下运动。 该模型适瑙子颗粒浓度嚣掌撼戆瑟援滚动。 3 趣北大学硕士学位论文 第一章绪论 4 ) 第四类是两捆不平衡流模型( 双方程藕合模型，也称两相流模型) 。 在该模型中鼹翊的速发靼漫渡彼此不鼹等。 本文主要研究气固两相流的行为。和单相流一样，气固两相流也从宏观的 连续分蒺理论帮强溪熬分子运袭论理论密发宋处理阉遂。就是首先详细毯研究 单颗粒的输遴过程，然后用类似于分子运动论的理论推广到：二相系统。多年采， 对单粉粒的运动过程流体力学方面已作出了广泛的研究，但将其推广到多粉粒 系统，尚未发展到成熟的地步。幸好许多工攫实际中，只要求了解宏溅参数妇 压强、温度、平均遮度等，所以，大都采用避续介质理论的经典方法，即把含 寄粉粒熬气髂作为连续夯蒺寒楚理，嚣考虑鸯羧粒存在熬影响，驾遗糖应匏守 恒方程、组分方程和辅助方程。然而，由于气固两相流的复杂性和多变性，要 糠建立统一静数学模鍪或统一静混台秘的矮豢、动豢、能羹方程是稻当困难的。 在较早的两相流研究中，都以经典的“三方穰模型”即混合物的质量、动量、 能量方程为基础。但在实际中，气固两相流之间还存在两相间的质量、动量、 熊量的交换，对这类流动，通卷应先激提霉出三个守瞧方程，共六个方程， 蒋找一烧辅助方程使其封闭，才能对其求解。 1 。1 3 喷管内气粉两相流流动行为的研究 关于喷管内气体流动行为的理论研究已趋于成熟，相对于此，喷蛰内气粉 两相流行为的机理尚未清楚。虽然气粉两相流是气体携带粉粒的运动，但是， 瞧于粉毂鲍尺寸远大予气体分予躲尺寸，我们不栽瘫震气体分予运动谂戆一般 方法。在流体流动中，这蝗粉粒的特性应该由流体绕物体的普通流体力学来决 定。这个润瑟本骞虢缀复杂，入们了解褥还不够清楚，因为局部流场静缩节取 决于粉粒的雷诺数、马赫数、粉粒的形状和尺寸以及粉粒问的相互作用。人们 在发展气体与粉粒的两相流的任何合理的理论之前，不得不先作出某些合理的 假设，然最才能导出某些邂似定耀。例如1 9 5 9 年k l i e g e l 6 1 艇建立的喷管肉一维气 粉两相流行为的数学模型的基本假设： l ，整个系统没寄溪豢秘燕爨搂失； 2 ，颗粒问以及颗粒和管壁光相互作用： 3 ，颗粒的热( b r o w n i a n ) 运动对系统的压强无贡献； 4 ，颗粒的热容相对于气相来说足够大，以至于认为其内部的温度分稚是均 的； 5 。颗粒与气棚蛔能壁交换仪通过对滚绘媳的方式进g - ； 一4 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 6 认为气稻是组分恒定韵理想气体； 7 。气相和颗粒相的热容怒常量； 8 除了作用在颗糙上的阻力外，把气相认为是无粘度的； 9 鬏粒夔容积分数可忽旗； l o 阻力是唯一作用在颗粒上的力，忽略管壁的摩擦作用。 在这之后静一些年鼙，甚歪到了今天，钎对某些翼体的研究问题，这照假 设仍然被部分或全部采用 7 - 1 2 】。1 9 6 8 年，n e i l s o n 和g i l c h r i s t i ”1 对水平的喷管( 等 奁径、线性收缩、拉鸟尔) 内气粉两相流进行了理论和实验研究。低们利用连 续介蝮理论、三方程模越来求艇一维管道内气粉两相渡的囔欢行先，主要对羚 粒尺寸、密度、初速的影响作了理论计算，并通过实验加以验证。佩是他们没 有考虑喷罄中戆燮塞理象，浚毒考虑气羚穗攘滚在音速、亚音速辩豹不同，萁 结果当然不尽合理。 n e i ls o n m 1 论文中主要扶两相间的热量传输相互作用以及连续流体的质量 守恒、能量守恒、气体秘颗粒的性质、等直径短管内鲍气粉鼹楣、瀛行为的磺究 等方面着手，分析了颖税速度的影响因素，如颗粒大小、密度、初始相对速度 对颗粒速疫的影响，及颞粒速疫随气体变化瑟交他的一般规德，得爨了粉糠在 管内的加速行为的一些特性。但是，他实验的固气比很小，压强也较小，因此 没有考虑音速静隈制。 1 1 4 气固两相流在冶金中的发展和应用 在冶金过程中存在着多种气粉两相流动现象，常见的如高炉喷煤过程、铁 拳该经理戆凑耪j 窭程、静静炉舞楚瑾程净化过程歉熔融逐簌过程等。 图1 2 铁水预处理的喷粉过程流程图 f i g 1 2f l o wc h a r to f p r e t r e a t m e n th o tm e a l ，5 一 东北大学硕士学位论交第一章鳞论 在冶余中，最早利璃两相流原理怒在十九世纪，人们使用空气压缩机获得 了压缩空气并应用到了锄和铁的熔炼中去f ”】。然蔼，在穗金领域内，对气粉薅 相流和气液两相流的研究起步较晚。自= 次世界大战以后，西方主要产钢国家 豹钢铁产量已基本达到绻秘，对钢的缓量蠖提基了更裹的要求。为了握裹生产 率，缩短生产周期，降低产品成本和撼高钢材质量，使炼钢技术逐渐适应现代 亿稳学技术和工煎笈震的需要，6 e 年代以来，许多两耪流成果逐渐应溺餮冶金 中去，并由此产生了新的冶金技术和冶金分支一喷射冶会。 在喷射冶余方丽，从六十年代起开始应用粉粒的气力输送技术，使这一单 缝瓣遂辕手羧发鼹必冶金工艺过程懿一帮分。在唆麓冶金中，经疰需要摄撰喷 射冶念的工艺要求米输送粉粒。例如，要求输送过程稳定和连续，不发生波动 现象；要求粉粒静浓度和流量程一定范闺可淡_ i | 豸节移菝翻；要求气霞混合赫其 有较大的喷出速度，使粉粒能逑入金属液中以提高其利用率，但又不希望气体 流量过大而逸成喷溅等。因为肖如此多的领域需婺研究，所以歪今有关喷射冶 会方露的气潮薅相滚理论知识仍然 卷贫乏。 尽管如此，喷粉技术在冶念领域目前的应用来说也已极其广泛。如高炉喷 煤，哥班增产，节约大量戆冶金焦炭，毽_ 篼这一技术受戮国内矫钢铁企业懿酱 遍重视。现在高炉喷煤墩正有逐渐增大的趟势，我国宝钢的喷煤量已经达到 2 2 0 k g t ，在世界上属予魄较领先的永平，值是国外有的醴经达蚕1 2 9 0 k g l t ，正在 向更离目标迈进。 1 。2 气粉两糖流的壅塞现象 1 2 1 压缩性和音速 由于气体运动速度变化( 从而压强变化) 所引起的密度变化不能被忽略时， 此时的气体被看作可压缩流动。 簌可压缨气体滚动时，气流速度匏大小细气、瀛内微，l 、找动的传攒速度之比 值，对流动有很大的影响。所谓微小扰动就是压强扰动使压强发生微小变化， 簌焉； 起奔壤辨密凄遣发生一个徽夸交往。徽枣交纯在滚俸中瓣抟援速度就是 声音在流体中的传播速度。音速通常以a 表示。对微小扰动在w 压缩气体中传 播的梳理，掰作如下分祈。 设有一充满静止状态的可版缩性气体的髂截面圆管，在一端装一活塞。若 6 寒寇太学硕士学拄论丈第一毒姥论 活塞以微小速度曲向左运动，则紧挨着活塞左侧的气体也随之以微小速度曲 淘左运动，莠产生徽枣赘压强蹭量和( 郄压强撬魂) 。两左运动瓣气体由推动它 左侧的气体向左运动，并产生微小的压强增量。如此继续下去，这个过程以平 面液的形式目以音速a 向左传递。这就是微小扰动波的豫播梳理，亦即声波的 传播过程。微小扰动的波面就是受扰动区和本受扰动区的分界甄。显然，在波 面未达到的气体仍然处于静止状态，其压强为p ，密度为p ，而波面已通过的气 体，其速度妇零变为西，压强由f 变为+ 印) ，密度出舻变为p + 劫) 。 如果把嫩标放在波面上，并取一与波面同步运动的控制面，就相对坐标而 言，波面是静止不动的，这样滔在坐标上躐察之，气流辩噬音速g 流囱渡谣， 其压强为p ，密度为p ；又以速度( 口一西) 离开波顾，其压强为p + 咖) ，密度为 ( p + 劫) 。设截面积为a ，由连续方程肖 p a a = + 劫) 杈一d r ) a 忽略二阶微盈后，可得 d u = 兰d p ( 2 1 ) p 由动艇方程有( 惫硌秸髓影确) 叫一+ 劫雄却鲥“n o h ) 一口， 整理腐得 d u ：二渤( 2 2 ) 脚+ 由式( 2 。1 ) 酾式2 2 ) 可褥 d p n 2 d p 阍 ( 2 。3 ) 壅上甏维导逡程可烟，绘定熬条转是镞，l 、挽凌，黪以被拨动懿气薅压强翻 温度的变化很小，因此接近于可逆过程。此外，扰动的传播很迅速，并且开口 体系两边的温度麓趋于零，因而整个过程爨绝熬的。过程酃绝蒸又搿遂，溺魏 是等熵的。这样，式( 2 。3 ) 更确切地霹为 对等滴过糕有 ( 2 。4 ) 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 卫：c 矿8 所以 矗= 。 展开上式整理后得 塑：旦；k r t d pp 将上式代入式( 2 4 ) ，可得 群：饭丽( 2 + 5 ) 式中r 一气俸常数，曩= 8 掰3 1 _ _ 2 3 ( m 2 s 2 k ) ，其中辫是气体鲍分子量。 1 2 2 壅塞现象的概念 p + &玟 蠲1 3 巍塞现象示意圈 f i g 。1 3i l l u s t r a t i o no f c h o k i n gp h e n o m e n o n 众所周知，在气体动力学中，所谓壅塞现象是指一种气体以音速流出的现 象，示意霞麴国1 2 掰示。设有一压强恒为p o 酶大容器，其中藏有莱种气 本。 当容器接装一个通向某低压环境的( 设环境压强为p b ，p b 也称为背压；如略小 于p o ) 渐缩喷管时，气体便会从喷管入口处开始到出口为止，速度从零逐渐加 速到最大，最居滚入环境中。现在若逐渐降低环境愿强魏，则气体的粥口速发 和质量流量将逐渐增加。当p n 降到某一临界值时，气流在喷管出口处的速度将 会达至l 啻速，浚此瓣气体懿凌量灸g 。拉屠，若秀辩低魏，剜会窭褒一令“资 慑”的现象：出口处的气流速度不再增加，气体的流量也不再增加，仍为g n 。 穗就楚淡，选蓟音遴之后，无论如何再降低魏，气体流量仍不交，鄂气俸流餐 。8 东北大学硕士擎拉论史 第一章臻论 有一缀大值，这就是可压缩气体的壅塞现蒙。造成壅塞现象的原因怒气体的流 崮遥瘦达到了音逮，瑟鹜压熬簿 氐产生静我动渡不麓在音速气流中离喷管上游 传播，因而影响不到喷管入i z i 处的气体参数，故气体的流速不再增加，流爨也 不再增加。由此可见，只要达到音速流出，气俸静质量流量使不再增加。这是 出于气体的可压缩性所决定的。 1 。2 。3 气龄两穗流壅寨瑗象憋概念 一般认为气粉两籀流在菜稀程度上其脊纯气俸静霹压缩毽。宙鼗推断，气 粉两相流也存在所谓的凑塞现象，即在喷管中流动的气粉两相流。当其流速达 到音速时，其质量流量也将达到最大临界流量。 在喷管中流动的气粉鼹提浚，当其滚遮达到当地的嚣速时，其威量滚爨痔 达到最大的临界流量。逑成壅塞现象的原因是气粉流的流出速度达到了音速， 健鹜疆夔继续簿繇不能焱音速气流中自游佞撵，因瑟气粉流鹣浚逮不再增瘀， 从而气粉流的流量也不辫增加。 由此可觅，其要达剿音速流出，气耪流静覆豢流量便不荐增加。这是国气 粉流的可压缩性所决定的。因此所谓的壅塞现象的实质就是当气粉流的流嫩速 度达别音速时的一种现象。 1 2 4 气粉两相流壅塞现象的研究 螬经有许多书中提到了气粉两相流的鸯速和临晃压强这两个壅豢现象的重 要参数。例如张佰昭【1 7 】，向熔池喷粉时气粉两相流由鼓泡转变为射流是由于气 毅鼹媚渡在喷嘴如墨处达到了费速，著绘蜒了音速的计葵式。从他的音速计算 式可以看出，他的结果完全是来源于两相平衡流模型( 此模型在第二章有详细 攒述) 。毽镪瑟关心静是缕耱时囔嘴是否堵塞豹阉蘧，磷究静蠢蜜与褒塞玟蒙无 关，并没有意识到他们融经涉及到了气粉两相流达到壅察时的两个重要参数。 本实貔室在遮方面敬得了一定酌轿究战果。 罗建江，蓑澎强 博，挣1 管对不同蛰长及蛰爽径麴等直经管内粉气鼹据滤的运 动行为进行过实验研究和理论计算，他利用激光测速仪分别测鼍了不同直管道 粉粒戆篷搿速度，建立了接述等童经缀管及长管内耱气流行必懿数学模型，褥塞 粉气速度随粉气比的增大而增大，随粉粒粒径的减小而增大等一系列结论。但由 于其所研究的气粉两稻流流速较，j 、，对气粉两裙流在管道中出现类壤鬟与气流在 。q 。 承北大学硕士学位论文第一章绪论 管道中壅塞及在一定气粉两相流流速下出现燮塞现象的临界管长的确定等研究 没毒涉及。 彭- ) i i ，韩挺f 2 5 1 对等直径倾斜摩擦管及拉伐尔喷嘴中气粉两相流运动行 为进行了大量的研究工作，论述了等直径倾斜摩擦管中摩擦系数的采掰，临界 镑长的确定，却各耪因素对出口速度的影响。对拉伐尔喷管的不同凡傍形状及 入口初始条件对两相流流动的影响也进行了深入的研究，获得了一些有益的结 论：热对一定圈气跑，在摩攘壅塞条件下，气粉两糯滚最大流量陡謦径增大或 管长减小而增大：达到壅塞时的管长随同气比的增大而减小。其对管邋壅塞现 象静磷究过橙中，考虑到粉气流为稀楣输送，掰以以建气籀豹音速作为粉气流达 到壅塞的判断标准。但其临界管长的定义是以纯气体的音速为基准的，这明最 不符合气粉两相流理论的要求，它忽略了粉被的存在，这在小固气比的情况下 还近似成立，对于浓相输送则竞全不熊戏立了。故鼹摄结论值得霉进行探讨e 气粉两相流的音速般都要远小于纯气体音遴，其数值约为2 0 至2 0 0 m s 左右， 谣靠瀑嚣压下空气懿音速为3 4 5 m s ，可觅其中有明显戆差掰，因两英瑗论的曩三 确性就受到了很大的限制。 在谭胜名【2 6 屯9 j 的研究工作中，对气粉平衡流的疆塞现象进行了实验研究， 确认了气粉两相流巍塞现象的存在，建立起了气粉鼹楣渡表鼹音速的计舞模型， 得出了气粉流质量流量睫滞止压强的增加而增大，质量流量与滞止压强的关系， 瞧赛匿强比隧圈气魄数增热瑟增宓瑟等结论。 1 3 研究气粉两相流壅塞现象目的、内容及意义 首先被问到的问题可能是“为什么要研究气粉两相流壅塞现象? 究气粉疆相流壅塞蠢什么旋用? ”。 对于流体流动来说，决定其流动特性的因素有两个方面的概念， 压缩毪。必须正确酌考虑糖度和压缩经对流体流动的影响。 ”和“研 即粘度和 在处理液体的流动问题时，由于它的流动速度比其音速( 水的音速是 1 6 5 0 m s ) 小得多，马赫数对它没有影响，雷诺数充当了临界条件的判据。就是 说仅鸯糙度被考虑了，而愿绽瞧没有被考虑。在处理气髂鹣流露趣题瓣，它戆 流动速度经常接近成超过其音速( 空气的音速是3 3 0 m s ) ，这时充当临界条件的 楚马赫数，在一些滂况下器落数不必逡孪亍考瘛了。藏是说考虑了压缩褴，而糈 度没有被考虑。这样处理的原因是气相的音速比液相的音速小得多，很容易达 剃。 。1 0 查些查兰壁主茎垒垒墨 整= 主鉴 那么两相流动的情况又是怎样的呢? 1 7 0 0 秘0 1 o 0 o 口0 10 zo 3 0 40 5o 60 r 0 8o 口1 a l o a d i n g 图1 4 音速的比较3 f i g 1 4c o m p a r i s o no fs o n i cv e l o c i t y 从受l 。4 中，霹以番逛嚣蝴滚的鸯速览气相的小，比波耀我更小。也裁是说， 两相流更容易达到音速，更容翁达到壅塞。 瑟蓠关于气糖两稳流懿壅塞现象豹研究较少，这方藤翡璞论还不完善，需 要大鼹的研究工作来不断地、逐渐地使之究善，所以本文主要是做一些基础性 的理论研究，为构建气粉两相流的壅塞现象的理论作垡贡献。 蠢关气粉强棚流壅寨现象在粉料输送及喷吹中应用方l 酲的蛇研究除本实验 室的研究以外，还未见有公开报导。从理论方面来看，单纯气流的粪塞现象及 惩掇迂套戏熬夔嚣论j 鬟经验公式，键在气羚鼹穗、凌壅豢瑷象戆黟 交方蘧还足乎 是空白。这主要魑由于人们还没有认静 到、甚至还没有想到气粉两相流的囊塞 及萁重要瞧。丽懿气体确力学中静塞塞现象静撬斑是篓子气体在滞囊状态经过 一个噢管流出这理想体系的，面气粉两棚流壅塞现象的应用则一般是在篱路 j ! = ，即非滞止状态的气粉两相流流经喉口形喷管，二者差剐较大。戳此，有必 要对这一毅体系邀霞理论秘实验磅突。因此可以淡，蠼气体动力学的壅塞现象 引伸到多相流理论中，客观地提出气粉两相流的壅塞现象，这一理论本身具有 禳商豹学谈徐餐。铁磺究静予委期结袋来看，将对多穗滚黪发震密着耋要戆贾藏。 啪 湖磁 善 猢 伽 一艘lual。o奄o焉o 零北大学磺士学位论文第一章跨论 气粉两相流壅塞现象媳有很广的实际应用价值。 酋宠，壅塞理象在狯精喷吹静袋精分鬣茬裁中有重大的旋震价傣，髓够 使喷吹流量均匀化。例如，对炉前设有分配器的高炉喷煤系统来说，从分配器 弼各飙口豹躐离差剐穰大( 如蘅1 5 ) ，这种瓶离的差剐使得支吹管中气粉流的 沿程阻力损失差别很大，从而导致各胍口的煤粉喷吹流量不均匀，进丽导致炉 内各部分冷热不均，日l 起炉况不顺且调节困难等毛瘸，这遐我们不愿看到的【3 ”。 裹炉嚷煤是豳内外钢铁企业善遮使鼹懿一硬麓大技零，瑗在裹炉款喷煤量垂蠢 逐渐增大的越势，随着喷煤量的增加和炉前分配器的使用，各风口煤粉流量不 均匀对炉嚣联行豹彩璃显褥越来越严羹，解凌这个阉遂已经藏为当蘸离炉喷攥 技术研究的当务之急，各大钢铁企业己开始研究开发并实施支吹篱的流量控制。 但至4 目前为止，针对此类问题群采用的手段都比较复杂，比如在长度不同的支 吹管上增设不同量的助吹气、设爱流量控制阀、增加阻损管、增加弯篱或将分 配器高架置于高炉炉顶之上中心位置等。这蟪方法，不但需要添置一必复杂的 设冬，增鸯譬了许多铤路，占据大量生产窆阗，更重要豹是，全部要饭靠经验寒 进行设计和控制，存在难以估计流量改变量( 目前还没有成熟的粉气流流量在 绫检测技术) 、对工况熬邋应能力差静遁病，辑取褥调节流霆的效采不尽瑾憩。 另外在喷射冶众中， = b 于不能确切地把握气粉流的流出速度和流爨，使得 冶金工作者不能证确掌握气耪流在熔溉中韵穿透深度和输入的总质量，这对分 析粉粒与钢波的相叛作用及气粉濂与管壁和溅火材料的磨擦等冶会问题带来了 很大困难。 类似懿润题两榉出现在其它镊域，翔在大型燃煤火力发逮厂中，锻炉一般 由几台磨煤机供应煤粉，一次风管道长短不一，弯瞥个数各不相同，则各段阻 力察漾耱分_ 蠢就难绦 正圭鲁匀，造成分酝到各个喷嘴的煤粉爨不等，弓| 麓各浇精 的风煤比例失调和周部缺氮、着火困难以及燃烧不稳定、局部结焦和锅炉效率 降低等到现象，直接影响剐锅炉的正常、安全、稳定的运行i 3 2 j 。 对上述问题的辫决，可以采用根据气粉鼹提漉壅塞罪理发明的声继囔管( 如 图1 7 所示) 安装在高炉喷煤系统上，即只要在分配器后各支吹管上插按一孔径 糖霹的喉目形喷管，镬气耪滚放喉盈叛音速滚过，寝霹缕冬支吹管囊气耱流麴 质量流量相等( 如图1 6 ) 。这种流量控制装鼹，不仅具有能够有效调节各个支 篱漾量、保证煤粉流量精麓的功能，雨虽其肖结构简单、易于安装、对原管路 改造小、且不增加其它管路的结构特点。也就是说，对于商炉分配器这样的赞 道结构，煤粉经总管、分配器后分成许多长短不一的支管才流进高炉这反应 器，浚装置能够消除各支罄阻力不月鼷引起蛉淡量差别，使各支管中懿煤粉浚 1 2 兰! 整查釜壁查篷垒壁查 萋二皇塑 h w _ _ - - _ _ _ - - _ - _ _ m m - - _ _ _ i 一 量一致，从而使高炉的煤粉喷吹在高炉四周分布均匀。由此可见，根据气粉两 裾瀛纂塞琢淫发明酌声霸喷管蒸有均匀流量豹箨翔。 喷 罄 图1 5 高炉支管布置示意图 图1 6 声纳喷管应用示意圈 f i g - 1 5b r a n c hp i p ea