第七章顆粒流體力學(xué)

1、整理課件1顆粒流體力學(xué)整理課件2 存在狀態(tài)不同的多相物質(zhì)共存于同一流動體系中的流動稱為多相流。 它具有以下特點： 顆粒是分散相，粒徑大小不一，運動規(guī)律各異； 由于固體顆粒與液體介質(zhì)的運動慣性不同，因而顆粒與液體介質(zhì)存在著運動速度的差異-相對速度； 顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互碰撞和摩擦對運動有較大影響，并且這種摩擦和碰撞會產(chǎn)生靜電效應(yīng)； 在湍流條件下，氣流的脈動對顆粒的運動規(guī)律以及顆粒的存在對氣流的脈動速度均有相互影響； 由于流場中壓力和速度梯度的存在、顆粒形狀不規(guī)則、顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互作用等原因，會產(chǎn)生顆粒的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生升力效應(yīng)。整理課件3兩相流的基本性質(zhì)兩相流的基本性質(zhì) 在

2、流動體系中，顆粒的體積、質(zhì)量和密度分別為Vp、Mp和p，液體的體積、質(zhì)量和密度分別為Vf、Mf和f，則兩相流的總質(zhì)量、總體積和密度分別為Vp、Mp和m，顯然有：mpfmpfMMMVVV體積濃度Cv：固體顆粒的體積占兩相流總體積的分數(shù)。pvpfmfpfVCVV單位體積液體所擁有的固體顆粒體積為：pmfvfpmVCV整理課件4 質(zhì)量濃度：單位質(zhì)量的兩相流體中所含固體顆粒的質(zhì)量，以Cw表示：pppmfwvpfpfmmMCCMM 單位質(zhì)量的兩相流中所含固體顆粒的質(zhì)量ppmfwfpmmMCM 在顆粒濃度很高的兩相流中，常用到空隙率的概念wmpwffvwwmmfwfpp1 CVV1 CV1 C1 CCVV

3、1 C1 整理課件5 兩相流的黏度：兩相流中顆粒濃度不大時，其黏度與流體近似。當(dāng)顆粒濃度增大時，其黏度也隨之增大。 A.Einstein提出了如下兩相流黏度計算式：21 0.51vmfvCC 兩相流的密度：單位體積的兩相流中所含固體顆粒和流體介質(zhì)的質(zhì)量分別稱為顆粒相密度和介質(zhì)相的密度pfmfmpmmfwwfwpfpMMMVV1C1 C11C整理課件6 兩相流的比熱容 定壓比熱容：pmppwpfwCC CC1 C 定容比熱容：vmvpwvfwCC CC1 C 式中，Cpp和Cpf分別為顆粒顆粒相和液體相的定壓比熱容，Cpf和Cvf分別為顆粒相和液體相的定容比熱容。整理課件7兩相流的比熱容之比：兩

4、相流的定壓比熱容與定容比熱容之比，其表達式為：111111pmppwpfwvmvmwvfwwwwwCC CCCCC CCCCCKCKC當(dāng)Cw大于0.8時，迅速接近于1，而=1的流動為等溫流動，因此可以將質(zhì)量濃度大的氣固兩相流動看出是等溫流動。等溫流動具有如下性質(zhì)：由于顆粒的熱容量大，混合物膨脹或壓縮引起的氣體溫度變化可從顆粒的熱交換得到補償而不致影響顆粒和兩相流的溫度。pfppvfpfCCK=;CC顆粒相的Cpp=Cvp=C整理課件8 兩相流的熱導(dǎo)率：兩相流的熱導(dǎo)率：221002100vfpfpmfvfpfpCC整理課件9顆粒在流體中的運動顆粒在流體中的運動 顆粒運動時的阻力：Newton阻力

5、定律22duFC A2242dpuFCD236tcppuFDrFd-流體阻力，u-顆粒與流體的相對速度，A-顆粒的迎流面積，-流體的密度，C-阻力系數(shù)，Dp-球形顆粒的粒徑。Ut-顆粒的圓周速度，r-顆粒作圓周運動的半徑。 重力和浮力36gppFDg36apFDg 離心力整理課件10 壓力梯度力：由壓力梯度引起的作用力。 運動方程 阻力系數(shù)C-是顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)。ReppDu整理課件11 球形顆粒沉降情形下，根據(jù)顆粒雷諾數(shù)的大小，大致可分成層流區(qū)、過渡區(qū)和遄流區(qū)，并可按下面的公式近似計算其阻力系數(shù)。 層流區(qū)（Stokes區(qū)）42410Re1ReppC 過渡區(qū)（Allen區(qū)）101Re50

6、0ReppC5500Re2 100.44pC4.80.63RepC 流區(qū)此外用于整個區(qū)域的近似公式為：整理課件12 顆粒在流體中的運動服從牛頓第二定律 重力沉降：假定顆粒為球形且顆粒在運動過程中，相互之間無任何干擾和影響，即屬于自由沉降，則最大沉降速度為：43ppmgDuC 不同沉降區(qū)的沉降末速度 在Stokes區(qū)：218pmspguD 在Newton區(qū)：3ppmNgDu1/324225pmApguD 在Allen區(qū)：整理課件13習(xí)題 試求相對密度為2.65，粒徑為10m的石英顆粒在200C的水中自由沉降末速度。 在一定的介質(zhì)和一定的溫度條件下，一定密度的固體顆粒的沉降末速度僅與粒徑大小有關(guān)，

7、顆粒大者um也大。因此可以根據(jù)沉降末速度的不同實現(xiàn)大小顆粒的分級。整理課件14沉降末速度的修正 顆粒形狀的修正：形狀對沉降速度的影響可用球形度來表示： =顆粒的等體積球的表面積/顆粒的實際表面積 等體積當(dāng)量徑Dpv來計算沉降速度。 在層流區(qū)：umc=Kums0.843lg0.065K 在湍流區(qū)，沉降速率通式中的C=5.31-4.88整理課件15 濃度修正：如果顆粒的濃度較小，相鄰顆粒間的距離比顆粒直徑大得多，可認為顆粒在沉降過程中無任何相互作用，這種沉降為自由沉降。 當(dāng)顆粒濃度較大時，顆粒之間相互干擾，此時的沉降為干擾沉降。必須對沉降速度進行修正：181pmmcmsmmVKguKukC式中：K

8、-常數(shù)，m-分散體系的密度，m-分散體系的黏度，k-與顆粒形狀有關(guān)的常數(shù)，球形時為2/5，Cv-顆粒體積濃度整理課件16離心沉降離心沉降 當(dāng)Cv0.02時，采用下式計算：exp1vmvk CqC 離心加速度比重力加速度大2個數(shù)量級，因此，離心沉降能使沉降速度大大加快，同時可使細顆粒從分散體系中分離出來。220ln18ppDtrr 整理課件17流體通過顆粒層的透過流動 研究表明，單位時間有流量為Q，流體黏度為，顆粒層迎流斷面面積為A，層厚為L，壓力損失為p，則平均流速為：/DpuQ AkL 式中，kd為透過率，由顆粒層物性決定，實際上，上式表示的是空管流速。 設(shè)顆粒層的空隙率為，則流體在其中流動

9、的表觀流速為：整理課件18euu32201evLpuLLk S 式中：k0為取決于通道斷面形狀的常數(shù)；L/Le為彎曲率 透過流動的應(yīng)用：透過流動的應(yīng)用： 顆粒層過濾除塵器：含塵氣體通過顆粒層時，其中的顆粒被阻留在顆粒層中； 固定床熱交換器 流體透過法測定粉體的比表面積整理課件19顆粒的懸浮運動顆粒的懸浮運動 當(dāng)流體通過顆粒料或粉料層向上流動時，隨著流體速度、顆粒性質(zhì)及狀態(tài)、粉料高度和空隙率的不同，會出現(xiàn)各種不同的顆粒流體力學(xué)狀態(tài)： 固定床：當(dāng)流體速度很小時，粉體層靜止不動，流體從彼此相互接觸的顆粒間的空隙通過。 流化床：在C點狀態(tài)下，顆粒之間保持相互接觸狀態(tài)的最疏排列。流速一旦超過C點的流速時

10、，將不再保持固定床條件，粉體層開始懸浮運動，此時的床層狀態(tài)稱為流化床狀態(tài)。整理課件20 氣力輸送：當(dāng)流體的速度增大到與顆粒的自由沉降速度相當(dāng)時，固體顆粒開始被流體帶出，這時的流體速度稱為最高流化速度。從此時開始，流速越大，帶出的顆粒也越多，系統(tǒng)空隙率越大，壓降減小，顆粒在流體中形成稀相懸浮態(tài)，并與流體一起從床層中吹出，該狀態(tài)稱為氣力輸送狀態(tài)。這一階段可認為床層高度膨脹至無限大，空隙率接近，此時系統(tǒng)中固體濃度降低得很快，使原來流化床中的氣體與固體間的摩擦損失大大降低，從而使總壓降顯著減小。氣固系統(tǒng)的流化床為聚式流化態(tài)，固液系統(tǒng)的流化態(tài)為散式流化態(tài)。整理課件21 臨界流化速度：2222001ppc

11、mfmfmfDgu 上式中，和難以確定，采用上式計算時偏差往往較大，因此常采用下式計算：2/mfmfppuCDg40.06253Re106.05 10Re20Re60002.20 10Re 0.555mfmfCC作業(yè)作業(yè)：在內(nèi)徑為102mm的圓筒內(nèi)填充0.11mm的球形顆粒，填充層高度為610mm，顆粒密度為4810kg/m3，試求顆粒被400C、1大氣壓的空氣流態(tài)化時的最小流化速度。整理課件22氣力輸送 與機械輸送相比，氣力輸送具有以下優(yōu)點： 直接輸送散裝物料，不需要包裝，作業(yè)效率高； 設(shè)備簡單，占地面積小，維修費用低； 可實現(xiàn)自動化遙控，管理費用少； 輸送管路布置靈活，可實現(xiàn)合理化配置；

12、輸送過程中物料不易受潮、污損或混入雜質(zhì)，同時可減少揚塵，改善環(huán)境衛(wèi)生； 輸送過程中能同時進行物料的混合、分級、干燥、加熱、冷卻和分離過程；1.可方便地實現(xiàn)集中、分散、大高度、長距離及各種地形的輸送。整理課件23 缺點： 動力消耗大，特別是短距離輸送時非常明顯； 需配備壓縮空氣系統(tǒng)； 不宜輸送黏附性強的物料及顆粒大于30mm的物料。1.氣力輸送系統(tǒng)可分為吸送式、壓送式或兩種方式相結(jié)合三種。整理課件24整理課件25整理課件26氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù) 輸送管內(nèi)的風(fēng)速：由于氣力提升泵為低壓輸送，故用風(fēng)量較大，最佳風(fēng)速為1620m/s,而螺旋泵和倉式泵為高壓輸送，風(fēng)速為1216 m/s即可。也可用下式計算：1uKV 式中：V-倉的容積整理課件27 固氣比：單位時間內(nèi)通過熟料管斷面的固體粉料的質(zhì)量與氣體質(zhì)量之比稱為固氣質(zhì)量混合