多相流基础课件

第一章绪论§1－1物质的相描述定义：某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相间有明显可分的界面。物质的四种相:固体，液体，气体，等离子体。古代定义：土、水、空气、火物质的相所具有的性质固体——若不受外界干扰，将永保其形状不变；液体——在其水平自由面以下与其容器形状相同；气体和等离子体——不能用边界面包住自己，将充满所能占据的整个空间。流体——液体、气体和等离子体均不能保持形状不变而具有流动性。单质或纯物质的相图§1－2多相流的定义和分类定义：必须同时考虑物质多相共存且具有明显相界面的混合物流动力学的特殊流动问题称为多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等划分。1、气液两相流气体和液体物质混合在一起共同流动。单工质汽液两相流，如水－水蒸汽汽、液两相均具有相同的化学成份；在压力和温度发生变化时会发生相变。双组分工质气液两相流,如空气－水两相具有不同的化学成份。例：蒸发器、冷凝器、反应器、气液混合器、气液分离器等。2、气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动。固体颗粒本身无流动性;当流体流速足够大,流体中所含的固体小颗粒具有类似流体特性；在某些条件下，可将颗粒相作为流体考虑，在另一些条件下，必须考虑颗粒相本身的特点。

例：空气中夹带灰粒与尘土，沙漠风沙，飞雪，冰雹，气力输送，气流干燥，煤粉燃烧，石油催裂化，矿物的流化床焙烧，气力浮选等3、液固两相流液体和固体颗粒混合在一起共同流动。例：水力输送，矿浆，纸浆，泥浆，水力除渣，污水管流动等4、液液两相流两种互不相溶的液体混合在一起的流动。例：油田开采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流动，物质提纯和萃取过程中的液液混合流等5、气液液、气液固和液液固多相流气体、液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气液固三相流；气体与两种不能均匀混合、互不相溶的液体混合物在一起的流动称为气液液三相流；两种不能均匀混合、互不相溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液液固三相流。例：油田油井及井口内的原油-水-气-沙粒的三种以上相态物质的混合物流动，烟气洗涤塔等两相流的范围§1－3多相流的基本特征参数1、质量流量、质量流速和质量相含量（相分数）质量流量：单位时间内通过通道总流通截面的流体质量质量流速：单位流通截面的质量流量质量相含率：各相质量流量与总质量流量之比2、容积流量、容积流速和容积相含率容积流量：单位时间内通过通道总流通截面的流体容积容积流速：单位流通截面的容积流量容积相含率：各相容积流量与总容积流量之比3、各相真实流速各相容积流量除以流动中各相所占流通截面积4、真实相含率某相的流动在任意流通截面上所占通道截面积与总截面之比5、滑动比、滑移速度滑动比：两相中各相真实速度的比值滑移速度：轻相速度与两相混合物的速度之差6、两相混合物密度流动密度：单位时间内流过截面的两相混合物的质量与容积之比真实密度：流动瞬间任一流动截面上两相流混合物的密度第二章固体颗粒的传输§2－1固体颗粒的性质1、颗粒形状及其表示方法附在火箭喷管上的Al2O3颗粒（电子显微镜）燃烧重油时产生的颗粒（a)不完全燃烧；（b)完全燃烧1）形状指数表示单一颗粒外形的各种无因次指数颗粒形状（1）均匀度根据三轴尺寸b、l、h之间的比值导出长短度偏平度Zingg指数（2）充满度体积充满度面积充满度式中V——颗粒实际体积

A——颗粒相应的投影面积（3）球形度Ψ表示颗粒接近球形的程度由于实际测量的困难，可采用实际球形度其中：dp

——

投影面积与颗粒相等圆的直径；

dmim

——

投影外接最小圆直径(4)圆形度Ψe颗粒投影与圆接近程度圆形度2）形状系数表示颗粒（群）性质和具体物理现象与单元过程间的函数关系时，将与颗粒形状有关的诸因素概括为一个修正系数外形的各种无因次指数（1）体积形状系数φV

(2)面积形状系数φS(3)比表面形状系数φ其中SV

——

颗粒比表面积，SV=S/V某些规则形状颗粒的形状系数(2)卡门（Caman)形状系数φC在研究流体通过颗粒层等流体力学问题时，需用到卡门形状系数颗粒群的卡门形状系数§2－1固体颗粒的性质2、颗粒粒度及其分布颗粒粒度：表征颗粒尺寸大小的几何参数球形颗粒——直径；非球形——当量直径；非均匀尺寸——粒度分布典型颗粒尺寸:流化床内煤粒0-10mm粉煤燃烧0-100μm炭黑

0-10μm

1）颗粒粒度的测定（1）筛分法将固体颗粒连续通过相邻筛号的两层筛子后，残留在其间的颗粒的粒度用该两个筛号尺寸的算术平均值通常采用单位长度或单位面积上筛丝数或筛孔数表示。“目”：表示每英寸长度内的标准筛丝数，相应筛孔尺寸固定。例：400目Tyler标准筛，筛丝直径25μm,筛孔尺寸38μm“孔筛”：每平方厘米筛面上孔数目例：4900孔筛，4900孔/cm2,筛孔尺寸88μm应用范围：40μm～5cm（2）沉降法测定固体颗粒在液体中的沉降速度，根据公式计算颗粒的粒度适用于细颗粒

<500μm；根据不同颗粒特征（粒度、比重、可溶性、介电性等)，选用不同的液体；可在颗粒上施加不同外力：重力，离心力，电磁力，组合力场等；检测方法：重量法，光学法，光通过法，X射线法等（3）显微镜法直接观察和测量单个颗粒粒度图象技术采用经显微校准的显微镜光学显微镜：0.8-150μm

电子显微镜：0.001-5μm

计数方法：人工，半自动，全自动等扫描电镜，可给出特征粒度、面积、周边、分布表格等（4）透过法根据流体通过填充床，流速与床层压差成线性变化原理设计所测量的是比表面积平均粒度测量范围在1-75μm（5）激光粒度测法利用颗粒群对于激光的散射特性采用Mie理论反演颗粒粒度测量范围

0.005-3000μm干法：>20μm，湿法：<20μm，不同材料颗粒采用不同弥散剂2）颗粒粒度的表示方法由颗粒形状、形成过程的多样性和测定方法的多样性决定（1）单颗粒粒径的表述球形颗粒：粒径非球形颗粒：按不同用途采用不同表述方式①定向径d1与颗粒运动方向相垂直的尺寸、最大定向径或面积等分定向径②多轴算术平均径d2与多轴调和平均径d2’③等面积球当量直径d3④等比面积（当量）直径d4⑤等体积当量直径d5⑥Stokes（等效）直径d6（2）颗粒群粒径的表述颗粒群各种平均粒径的计算方法颗粒群各种平均粒径的计算方法（续）各种不同方法表示的平均粒径所适应的机械、物理化学过程例子分析：气固系统中流动阻力问题当1μm<dp<100μm时，一般属于Stokes区当dp>1000μm时，一般属于Newton区当dp〈0.1μm时，一般属于均相区在常温常压下，空气平均自由程为0.1μm左右，可见光的波长为0.5μm,三者具有相近的数量级（3）颗粒群的粒度分布及其表示法将颗粒群按一定的粒度范围以若干级别进行排序，构成颗粒群的粒度分布①分布曲线频率分布

频率分布图①分布曲线累积分布筛余累积分布筛下累积分布累积分布曲线①分布方程最简便、最完整的描述颗粒粒度方法特点：可用解析法求解各种平均粒径、比表面积等特性参数能根据很少的测定数据推出分布规律正态分布方程

双参数函数：平均值d和标准偏差σ

正态分布曲线方程平均粒径d=d50

（中位径）标准偏差σ=d50–d84.1=d15.9-d50

对数正态分布方程多数工业用粉体，粒度分布不均匀，曲线会向一边偏移，具有长下摆

RRB分布方程Rosin、Rammler及Bennet提出的指数函数表达式式中：R(d)——大于粒径d(μm)的累积筛余质量百分数；

dT——特征粒径（μm），对某种特定颗粒，为定值；

n——均匀性指数，表示粒度分布的宽窄几种常见颗粒的

dT

及n值在lglg100/r(d)–lgd坐标系中，RRB分布方程为直线，斜率为n;当R=(d)=36.8%时，对应的粒径即为dT；以质量为基准的比表面积近似式条件：n=0.85–1.23、颗粒体流动性颗粒的流动性的影响因素：粒度，形状系数，密度，表面特征，堆积特征，填充介质，所受应力情况等颗粒的流动性关系到粉体的存储、输送、流化及加、排料设备的设计和运行（1）Carr分类法根据松散物料的性质和力学特征表征流动性能；需确定的物性参数：压缩率、铲板角、休止角、均匀度（2）Jenike分类法采用塑性开裂的概念并应用Mohr圆的方法判别流动性4、颗粒粘附性影响颗粒粘附性的主要因素（1）分子力颗粒（直径为dp)之间的分子引力F,其大小与颗粒间距有关当a<1000Åa>2000Å其中k1、k2

——

因次转换系数（2）附面水分颗粒表面附面层中水分越多，相互间粘附力越大（3）静电力颗粒表面电荷的大小，决定了静电力的大小（4）颗粒本身的粘附特性取决于物料的种类、粒度及其他特性§2－2固体颗粒在流体中的受力分析1、阻力分析颗粒在静止流体中作匀速运动时流体作用颗粒上的力1）阻力计算的基本关系式（1）均速、等温、不可压、无限大流场，理想流体理想流体绕流球形颗粒流动式颗粒表面上的压强分布（1）均速、等温、不可压、无限大流场、理想流体由伯努利方程由于所以作用在颗粒上的合力这就是著名的D’alembert佯谬。（2）均速、等温、不可压、无限大流场、粘性流体实际流体绕流颗粒时颗粒表面上的压强和剪应力分布压差阻力：由于球面上压强随θ的分布不对称导致颗粒受到与来流方向一致的合力；摩擦阻力：颗粒表面上的与来流一致的摩擦剪应力的合力阻力Fd的表达式

该式考虑了颗粒与流体间的相对作用；阻力的方向与（Vf–Vg)的方向一致。２）阻力系数（1）Stokes定律（1850年）均匀流体绕流球体流动，流速很低，颗粒Re数很低，忽略Navier-Stokes方程中的惯性项流体作用于球体上的力

阻力中1/3为压差阻力，2/3为摩擦阻力；阻力与ρf

无关。Stokes定律式中Re

——

颗粒雷诺数，适用范围：Re<1满足Stokes定律的流动为Stokes流，CDs为Stokes阻力系数（2）Oseen公式1910年，Oseen考虑惯性项后，f(Re)

为惯性效应修正系数（3）Newton公式1710年，Newton进行了球体在大流速不可压粘性流体中作匀速运动实验，（4）标准阻力曲线通过大量实验得到，单个刚性球体，在静止、等温、不可压、无限大流场的流体，匀速运动阻力系数与Re数的关系1-Stokes定律；2-Oseen公式；3-Newton公式；4-标准阻力公式（5）标准阻力公式流型图分析：Ⅰ区（Re<10):

球表面为不脱体的层流边界层，尾流无脉动，CD随Re增加近似按直线规律下降；Ⅱ区（10≤Re≤500）：球面上有层流边界层脱体，在脱体点下游形成旋涡和尾流。随Re增大，脱体点往上游移动，阻力曲线随Re增加而缓慢下降；Ⅲ区（500<Re<1.8×105）：球面上层流边界层脱体点基本上保持在从前滞止点约83°处，涡系离开球体而形成尾流，CD随Re

变化不大；Ⅳ区（Re>1.8×105):球面上存在层流转换成湍流的边界层，脱体点后移，尾流减小，球体下游部分压力升高，阻力减小。不同Re时球面上压强分布1-Re=157200,CD=0.471;2-Re=251300,CD=0.313;3-Re=298500,CD=0.151;4-Re=425000,CD=0.143M-最低压力点；S-边界层分离点；T-层流与湍流转换点3）影响阻力系数的其他因素实际流体：流体湍流、气相稀薄性、可压缩性和两相不等温、颗粒表面粗糙度、颗粒旋转、颗粒非球形、颗粒尾流中脱体旋涡的非对称性和静电力等经修正后的颗粒阻力系数式中f(δ）——

湍流效应修正系数；

fr(kn)

——

稀薄效应修正因子；

fc(Mr)——

可压缩性修正因子；

β

——

颗粒非球形度修正因子；

ΔCD(T)——

温差效应的修正项（1）流体的湍流效应湍流度对CD的影响1-湍流度最高达8%；2-湍流度〈1%；3-标准阻力曲线阻力系数随湍流度增加而增加；湍流的影响随Re的降低而显著减弱；尚无关联式，常取f(δ）=1（2）稀薄效应在两相流中，Knudsen数的定义为由气体分子运动论基本理论因此式中Mr——相对Mach数，Mr=│Vg-Vp│/ag

ag——气相的音速（3）可压缩性效应相对Mr对阻力系数的影响与Re相关阻力系数随Mr数的变化Tp/Tg≈1当Mr较小时，阻力系数随Re的变化与标准阻力曲线一致；当Mr较大时（Mr>0.4),CD将大于标准阻力曲线值可压缩性效应修正因子（4）温度效应当颗粒温度与流体温度不一致时，将影响颗粒表面边界层中的温度分布，影响阻力系数温度效应修正项当Mr>1时当Mr≤1时，ΔCD(T)=1温度对CD的影响（5）颗粒非球形修正非球形颗粒的阻力系数按下式计算：颗粒非球形修正系数式中CDSP

——

基于体积的“当量”球形颗粒的阻力系数2.重力和浮力

重力:Fg=(1/6)pdp3rpg

浮力:Fa=(1/6)pdp3rfg根据力平衡,Fa+FrFgF颗粒的终端沉降速度up=0,ut=ufut>uf,颗粒沉降ut<uf,颗粒上升定义当

Rep<<1,一般地，,Togec:3、颗粒加速度力颗粒加速运动时流体作用于颗粒上的附加力1）视质量力当颗粒在静止、不可压、无限大、无粘流体中作加速运动时颗粒加速运动引起的颗粒表面附加的压强分布颗粒所受的力为颗粒在静止的无粘流体中作加速运动，必须克服Fm外加力F为Fm为视质量力，m’为视质量力根据Kn或Mr/Re,将两相流动分为：连续介质流

Mr/Re1/2≤0.01或Kn≤1滑移流

0.1≥Mr/Re1/2≥0.01

或

Kn≈0.1-0.01过渡流Mr/Re1/2〉0.01，且Mr/Re1/2≤0.01或Kn≈1自由流Mr/Re〉3

或Kn>>1对于滑移流和过渡流fr(Kn)<1对于相对运动和可压缩流体实际的视质量力比理论值大，可表示为Km依赖于加速度的模数Ac，经验公式为AC

决定于气动力与产生加速的力之比2）Basset加速度力当颗粒在粘性流体中作直线变速运动时，由于颗粒表面的边界层不稳定使颗粒受一个与颗粒加速历程有关的随时间变化的流体作用力式中tp0

——颗粒开始加速的时刻

Basset力的方向与颗粒加速度方向相反；理论计算KB=6;

实验研究4、流体的不均匀力由流体不均匀性而作用在颗粒上的附加力1）压强梯度力压强梯度引起的附加压强分布颗粒表面由压强梯度引起的压强分布流体作用在颗粒上的附加力

压强梯度力的方向与压强梯度的方向相反；大小为颗粒体积与压强梯度的乘积；该力实际上是浮力2）横向力（速度梯度力）压强梯度力颗粒在有横向速度梯度的流体中运动时，在颗粒上会有横向力作用例：颗粒在管道中流动时，趋于集中在离管中心轴0.6倍管半径区域内。（1）Magnus力流体横向速度梯度使颗粒两边的相对速度不同，可引起颗粒的旋转，这种现象成为Magnus效应，其力称为Magnus力力矩（2）滑移-剪切升力颗粒在横向速度梯度的流场中，由滑移（相对运动）和剪切联合作用下，即使不旋转也会承受横向力。当颗粒以低速沿流线通过简单无限流场时，所受的附加横向力

颗粒在速度梯度场中3）温度梯度力颗粒处在有温度梯度的流场中，将受到自高温区的热压力而向低温区迁移，这种现象称为热泳，使颗粒由高温区向低温区运动的力通常称为热泳力从实验,Fth对于小颗粒更明显；dp

↑,Fth↓；

Fth=f(gradT,dp,μf,λf,λp,l,…)

l

–

颗粒运动的平均自由程在燃烧室的边界层,5.静电力

原因:1)碰撞

2)气体离子扩散

3)与带电表面相接触

Fe=qE

拉氏运动方程§2－3稠密颗粒群和稀疏悬浮体1、颗粒间的相互作用颗粒间的相互挤压；（例：密实颗粒群）颗粒间的相互碰撞（例：尺寸分布颗粒群）；颗粒间通过流体的相互作用。2、通过流体的颗粒间的相互作用通过颗粒表面边界层的相互作用考虑相互作用的称为稠密颗粒群不考虑相互作用的称为稀疏悬浮体从颗粒表面边界层中的速度分布，在分离点边界层最厚，其厚度为：颗粒边界层中的速度分布（1<Re<100)2、通过流体的颗粒间的相互作用稀疏悬浮体的条件：L/2rp随Re的变化2、通过流体的颗粒间的相互作用当Re>1,L/2rp

>5.3时，两相混合物系统可看成稀疏悬浮物；当Re很小时，边界层厚度将很大，流体粘性影响充满整个空间；用容积分数表示的L/rp，稀疏悬浮体的条件Φ随Re的变化当φ>0.02时，颗粒间就有明显相互作用；当φ>0.05时，就会发生受阻沉淀。第三章射流理论§3－1等温自由射流理论自由射流:无固体边界限制的射流1.基本特性1)转捩截面

2)开始区域和基本区域3)具有初始速度的核心区4)湍流边界层–在内边界(v=vo)和外边界(v=0)间的区域5)极点:外边界表面的交汇点6)相似性在基本区,无量纲速度是完全相似的即在对应点其中vm-x轴向速度

yc–距x轴具有速度为(1/2)vm

的距离.(3-1)b–射流的半宽在开始区，不同截面边界层内的速度分布是相似的其中

(3-2)7)Vm的衰减(3-3)2.湍流特性

1)在核心区,y↑,x↑,nt↑2)在基本区，

ntmax>3nto3)vx>>vy≈vz,v’x

≈v’y

≈v’z在核心区,(3-4)4)混合长度

ltx/b=0.11lty/b=0.10(3-5)3.外边界和等速度线在基本区从速度的相似性同样,(3-6)对于(3-7)即

(3-8)§3-2自由射流的半理论、半经验公式1.等温自由射流的动量传递对于自由射流,(3-11)1)圆形截面自由射流(3-12)喷嘴出口的初始动量当流体为不可压缩时定义,从实验,(3-13)在转捩截面,vm=v0(3-14)通过任何截面的气体量(3-15)在转捩截面,vm=v0(3-16)定义射流在某一截面的平均速度(3-17)这表明截面平均速度是Vm

的

20%.为计算b,G,vav,需要vm=f(x)

定义a–经验常数从射流理论,

(3-17)在转捩截面,vm=v0转捩截面到极点的距离

xn(3-18)极点的深度

s0从射流理论,b/ax=fb=3.4(3-19)某一截面到喷嘴出口的距离

s(3-20)(3-21)a=0.07～0.08这些关系式在具有圆形截面的自由射流基本区内有效.其它两个速度分布关联式

(3-22)(3-23)射流半角：

au=4.85°2)平行平面射流

yxbb0s0sx对于单位厚度的射流从动量守恒,(3-24)假定气体为不可压缩从射流理论,fb=b/ax=2.4(3-25)在转捩截面,vm=v0(3-26)转捩截面到极点距离

xn或(3-27)假定在基本区和开始区的扩散角相同,(3-28)(3-29)a–经验常数,≈0.1-0.11通过任意截面的气体量(3-30)在转捩截面,vm=v0(3-31)(3-32)从VanderHeggeZijnen的实验数据,或(3-33)2.非等温射流的传热从Taylor的湍流理论(3-34)其中

DT=T-Th当射流的焓以温差计算,(3-35)对于圆形射流,变换定义

f=y/ax,fb=b/ax=3.4(从射流理论)(3-36)(a=0.07-0.08)对于平面射流,(a=0.1-0.11)(3-37)可以证明组分的扩散与温度完全一致.

§3-3

工程设备中常见特殊射流1.平行射流组的流动平行射流组平行射流组的流动初始段：轴心速度为v0的区段；基本段：两相邻射流混合的截面;过渡段:初始段与基本段之间的区域.由于相邻射流的引射作用,初始段缩短30%左右;实测初始段无因次速度分布:1.平行射流组的流动边界层厚度增加较快,b=0.315x;射流汇合,各自中心现出速度um仍最大,喷嘴间处速度u2最小;离喷嘴越远,速度场趋于平坦;每一喷嘴范围内的速度场仍具有相似性;2.射流的相互碰撞射流变形图2.射流的相互碰撞在垂直截面上射流尺寸受到压缩,混合后以一定扩张角流动;在水平截面上射流变得很宽,射流角越大,宽度越大;动量相同的圆形射流相遇后射程最大,抽吸周围介质量最少;当两股初动量相等的射流正对互撞,射流顺着与初始方向垂直的方向流动;当对撞的射流不在同一轴线上,会形成旋转的环流区.2.射流的相互碰撞射流正对撞后的流动2.射流的相互碰撞中心线错开的逆向射流第四章可变形颗粒动力学§4－1液体的雾化当液体的流速极低或者相当高时，在气体中或者其它液体中将会形成液滴，即出现所谓的液体雾化液体雾化的基本机理是液体自由表面的失稳，取决于：1）扰动的振幅，无限小还是有限大；2）流场的形状，液体射流、液体薄片、大液滴分裂等；3）流场中的主要作用力，表面张力、粘性力、压力、离心力和（或）静电力。1、流体流动稳定性中扰动幅度的影响1）对于无限小扰动，有比较完善的流动稳定性理论，可给出扰动一开始将发展还是受抑制的条件；2）对于有限大扰动，尚无精确的稳定性理论，大多雾化的研究是实验研究；3）可用某些重要的无量纲参数处理实验数据；4）引入韦伯数：5）对一个直径为d的大液滴的分裂，取L=d,ρ=ρg,U=Ug-UL,则，若We>12，则液滴将分裂。2、液体系统的外形1）液体的雾化取决于液体的形状；2）实用中应以最小的代价使液体在最大的面积上分裂并散开；3）一种可改善雾化过程性能和雾化效果的方法是采用扇形喷嘴以形成液体薄片，在有限扰动时分裂成细条，直至再分裂成细小液滴；4）扰动的增长速度取决于韦伯数和雷诺数。3、各种雾化方式及装置中的各种力1）压力雾化强制液体通过一个小孔以达到液体的雾化。主要力：通过小孔的压力，液体的表面张力，液体粘性力；流量取决于压降；主要的无量纲参数为韦伯数和雷诺数。2）离心力压力雾化流体的流量由通过喷嘴的压降控制；在喷嘴前对液体提供离心加速度或作旋涡运动的动力；液体的有效韦伯数会因旋转而增大，从而得到更好的雾化。3、各种雾化方式及装置中的各种力3）气动雾化液体射流或液滴处于高速射流中，在气速达到某一临界值时发生的分裂。广泛应用于火箭发动机中的燃烧过程；韦伯数中的特征速度应取气体速度。4）超声雾化液滴用频率为ω的超声波分裂液滴的大小取决于超声波的频率；将频率ω和液滴直径乘积作为特征速度；4）超声雾化若雾化过程发生在We的某个临界值以上，We=K3,则5）静电雾化静电力加于液体射流，主要力为表面张力和静电力§4－2单个液滴的运动1、下垂液滴的状态方程R为点(x,z)

处的曲率半径，b为原点处的曲率半径；β=-b2g/σT,θ为点(x,z)处的倾斜角。β决定液顶的形状；b决定液滴的大小。下垂液滴的头部形状2、下垂液滴的运动1）对于巨大介质中的一个孤立液滴，达到终端速度时的受力Ad

为液滴的正投影面积，Vd为液滴体积2）考虑液滴为具有粘性的流体球，在Stokes流动范围内，液滴的终端速度3）液滴因周围介质的剪切作用，达到终端速度时的受力k为阻滞效率引起的系数，取决于环流型式及Re数对于非球形液滴，CD

应取实际液滴形状的系数值；对于大液滴，在下落过程中液滴将发生改变：大液滴——

扁平液滴——

分裂成小液滴§4－3液体燃料的雾化性能1、雾化角指喷雾出口到雾炬外包络线的切线间的夹角，也称喷雾锥角雾化角示意图1、雾化角雾化角过大油滴会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以至增加燃烧不完全损失，降低燃烧效率；会因燃油喷射到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰。雾化角过小燃油液滴不能有效分布到整个燃烧室空间；与空气的不良混合，局部空气系数过大；燃烧温度下降，着火困难，燃烧不良。一般雾化角在60°~120°范围内喷嘴直径和喷射压力增加，雾化角增大2、雾化液滴细度雾化后的液滴大小是不均匀的，可相差50~100倍1）索太尔平均直径（SMD)按所测得的所有液滴总体积与总表面积计算2）质量中间直径液滴过粗：燃尽时间延长，燃烧速率降低；液滴过细：易为气流带走，造成燃料浓度不均对重油雾化，细度100~200μm

粒度40~400μm3、雾化均匀度雾化后的液滴颗粒尺寸的均匀程度均匀度差：大液滴数目较多，对燃烧不利；均匀度过好：大部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定性和可调节性变差。雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线4、雾化射程水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能达到的平面与喷口距离射程较短：雾化角大，雾化粒度很细；射程较长：密集喷雾炬，吸入空气量较少。5、流量密度分布在单位时间内，通过与喷射方向相垂直的单位横截面上液体质量（体积）径向分布燃料分布特性a)、b)离心式机械喷嘴rb>ra；c)直流式机械喷嘴§4－4液滴的蒸发1、液滴蒸发时的Stefen流液滴在静止高温环境下蒸发驱动力：-与蒸汽含量差；-与周围介质温差；产生的蒸汽向外界扩散途径：液滴蒸汽的分子扩散；蒸汽、气体以某一宏观速度ugs离开液体表面的对流流动。液体周围成分分布mxg-空气中空气质量分数mlg–空气中蒸气质量分数mxgs-液滴表面蒸气质量分数mlgs

–液滴表面空气质量分数1、液滴蒸发时的Stefen流由于含量梯度存在：-蒸气不断从表面向外扩散；-空气从外部环境向液滴表面扩散，但不能进入液滴或在表面凝结；为平衡空气的扩散趋势，会产生反向流动，即以液滴中心为源的Stefen流2、相对静止环境中液滴的蒸发当周围介质的温度低于液体燃料沸点时，液滴比蒸发率为高温下液滴蒸发的能量平衡图2、相对静止环境中液滴的蒸发液滴所得热量等于蒸发所需热量时的温度称为液滴蒸发的平衡温度液滴表面的蒸气比流速率为经变换，在相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率2、相对静止环境中液滴的蒸发B值的物理意义为：在蒸发和燃烧过程中，出现了Stefen流后，就需用无因次迁移势考虑对不同燃料在空气中的B值近似为常数不同燃料的B值3、液滴群的蒸发在实际喷嘴雾化过程中，液滴是由大小不同的液滴组成；根据雾化均匀度分布，单位体积液雾具有直径d1的液滴颗粒表达式经过时间τ蒸发后，所剩下的液滴直径为

在时间τ后凡是颗粒直径小于（K1τ）1/2的液滴已全部蒸发；此时的单个液滴体积为3、液滴群的蒸发在时间τ后未蒸发完的所有液滴的总体积经过τ后未蒸发的不同尺寸液滴的百分含量（体积）和液滴直径数第五章气固系统的流动§5－1颗粒的流动模型表示气固系统流动特征的理想化的流动形态；划分各种模型的实质是反混机理和程度；标志颗粒逆向混合程度的定量参数为模型参数；可由停留时间分布求得模型参数；对具体过程：分析类型——选择模型——求得模型参数——预测过程进程与效果§5－1颗粒的流动模型1、颗粒在容器中的停留时间1）基本概念活塞流：当物料连续稳定通过某一系统时，其停留时间的理想情况为同一时间进入系统的各微元，沿平行路径以相同恒定速度通过，各颗粒在系统内的停留时间均相等活塞流动示意图1）基本概念实际流动：层流、湍流、搅拌、旋回，形成停留时间的分布影响因素：设备的几何形状、结构和工艺操作条件在一个稳定连续流动系统中，某一瞬间进入系统的颗粒，经历不同的停留时间后依次自系统流出（1）停留时间的概率密度——E(τ）函数在同时进入稳定流动系统中的N个粒子中，在容器中停留时间介于τ与τ+dτ间的颗粒数所占分率dN/N(2)停留时间分布函数——F(τ）函数流过系统的物料中停留时间小于τ的物料量的百分率E曲线和F曲线（a)E曲线；(b)F曲线2）停留时间分布的测定（1）脉冲示踪法系统入口处快速混入少量（Q)的示踪物体，在出口流体中检测示踪物料的浓度变化c(τ）脉冲法测停留时间流程2）停留时间分布的测定（2）阶跃示踪法在入口处按与物料一定比例c0

不断加入示踪物，在出口处取样测出物料中示踪物浓度的变化c(τ）,所选示踪物料应具性质：不影响物料的流动状态，密度和直径与物料相近；测定过程中不挥发、不沉淀、不起化学反应、不吸附在器壁上；易于检测浓度。3）各停留时间分布函数间的关系F(τ）dτ与[1-F(τ）]dτ关系4）E(τ）的特征值（1）数学期望ττ与F(τ）的关系（1）数学期望τ在实际测定时，每隔一段时间取一次样，则E（τ）为离散型（2）方差στ2体现停留时间分布的密度函数的离散程度若采用无因次时间作自变量则平均停留时间在θ及τ处，停留时间分布函数相等，Fθ（θ）=F(τ）停留时间分布密度函数Eθ（θ）§5－1颗粒的流动模型2、典型的流动模型1）活塞流所有颗粒在系统中的停留时间相同活塞流的E（τ）和F（τ）1）活塞流用分布密度函数表示用分布函数表示且这是一种最简单有效的流动模型，如固定床2）理想混合流微元体进入系统的瞬间立即与原有物料均匀混合，系统内部流动特性始终如一，与出口处相同用示踪粒子完全代替入口物料时，用分布函数表示用分布密度函数表示理想混合时的E（τ）与F（τ）模型特征：当τ=τ时，F（τ）=1-e-1=0.632，即有63.2%物料停留时间小于τ2）理想混合流当n级混合流模型串联时，n称为模型参数当n→∞时，σ2=0，全混流多级串联转化成活塞流3）带有死角和短路的理想混合流带死角和短路的模型示意图3）带有死角和短路的理想混合流V为容器体积，m为出去死角后所占的空间分额，v为通过系统的物料流率，h为通过容器物料分额，v(1-h)为短路物料流率f(τ）——

示踪物的分布函数（全混流）3）带有死角和短路的理想混合流有短路和死角时，4）扩散模型流体通过有填充物料的管式反应器时，各流体微元以相同平均线速度u通过缝隙，并围绕u按相同频率和振幅波动。用Fick第二定律描写逆向混合，即为扩散模型。可理解为活塞流叠加轴向扩散；该扩散是虚拟的，实质为返混；是描述非理想流动的主要模型，特别适用于返混程度不大的系统4）扩散模型模型假定：沿与流体流动方向垂直的每一截面具有均匀径向浓度；每一截面上沿流体流动方向，流动速度和扩散系数均为恒定值；物料浓度为流体流动距离的连续函数扩散模型4）扩散模型流动坐标上描述扩散方程D*——与流动有关的虚拟扩散系数该微分方程的解为出口处示踪物浓度的响应函数注意：对一定的流动模型，有一定的停留时间分布；对已知的停留时间分布函数，可能有数种流动模型与之适应；研究实际过程时，分析流动形态——选择合适模型——测定模型参数——与反应动力学结合估算过程效果；停留时间分布函数不能作为确定模型的依据§5－1颗粒的流动模型3、停留时间分布曲线的应用接近于活塞流的E（τ）曲线状况正常状态，曲线的峰形和位置与所预期的相吻合；出峰太早，可能有沟流或短路情况；出现递降峰,表明可能有循环流动;出峰太晚,可能是计量误差,也可能示踪剂被吸附于壁面上;有两股平行流体存在接近于全混流的E（τ）曲线状况§5－2稀相悬浮体中气固流动模型1、单颗粒颗粒在水平气流中的运动(1)运动分析最简单情况:水平平行气流,不计重力影响稳定运动时,惯性力与阻力相等颗粒在水平气流中运动(1)运动分析考虑重力的作用,令粒子在气流中稳定不动时的垂直速度为ut0,与沉降速度相等类比结果，认为二者具有相同的阻力规律，即(2)颗粒水平运动方程