第七章颗粒流体力学

1、颗粒流体力学 存在状态不同的多相物质共存于同一流动体系中的流动称为多相流。 它具有以下特点： 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。两相流的基本性质两相流的基本性质 在流动体系中，颗粒的体积、质量和

2、密度分别为Vp、Mp和p，液体的体积、质量和密度分别为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：mpfmpfMMMVVV体积浓度Cv：固体颗粒的体积占两相流总体积的分数。pvpfmfpfVCVV单位体积液体所拥有的固体颗粒体积为：pmfvfpmVCV 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：pppmfwvpfpfmmMCCMM 单位质量的两相流中所含固体颗粒的质量ppmfwfpmmMCM 在颗粒浓度很高的两相流中，常用到空隙率的概念wmpwffvwwmmfwfpp1 CVV1 CV1 C1 CCVV1 C1 两相流的黏度：两相流中颗粒浓度

3、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：21 0.51vmfvCC 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pfmfmpmmfwwfwpfpMMMVV1C1 C11C 两相流的比热容 定压比热容：pmppwpfwCC CC1 C 定容比热容：vmvpwvfwCC 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定容比热容之比，其表达式为：111111pmppwpf

4、wvmvmwvfwwwwwCC CCCCC CCCCCKCKC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。pfppvfpfCCK=;CC颗粒相的Cpp=Cvp=C 两相流的热导率：两相流的热导率：221002100vfpfpmfvfpfpCC颗粒在流体中的运动颗粒在流体中的运动 颗粒运动时的阻力：Newton阻力定律22duFC A2242dpuFCD236tcppuFDrFd-流体阻力，u-颗粒与流体

5、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36gppFDg36apFDg 离心力 压力梯度力：由压力梯度引起的作用力。 运动方程 阻力系数C-是颗粒雷诺数Rep的函数。ReppDu 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、过渡区和遄流区，并可按下面的公式近似计算其阻力系数。 层流区（Stokes区）42410Re1ReppC 过渡区（Allen区）101Re500ReppC5500Re2 100.44pC4.80.63RepC 流区此外用于整个区域的近似公式为： 颗粒在流体中

6、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：43ppmgDuC 不同沉降区的沉降末速度 在Stokes区：218pmspguD 在Newton区：3ppmNgDu1/324225pmApguD 在Allen区：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um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 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：

7、=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=Kums0.843lg0.065K 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：181pmmcmsmmVKguKukC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离心沉降 当Cv0.02时，采用下式计算：exp

8、1vmvk CqC 离心加速度比重力加速度大2个数量级，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。220ln18ppDtrr 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，压力损失为p，则平均流速为：/DpuQ AkL 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：euu32201evLpuLLk S 式中：k0为取决于通道断面形状的常数；L/Le为弯曲率 透过流动的应用：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

9、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，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。 流化床：在C点状态下，颗粒之间保持相互接触状态的最疏排列。流速一旦超过C点的流速时，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。 气力输送：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

10、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：2222001ppcmfmfmfDgu 上式中，和难以确定，采用上式计算时偏差往往较大，因此常采用下式计算：2/mfmfppuCDg40.06253Re106.05 10Re20Re60002.20 10Re 0.555mfmfCC作业作业：在内径为102

11、mm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 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1216 m/s即可。也可用下式计算：1uKV 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称为固气质量混合比，