文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
分叉流道中气固两相流动的实验研究和数值模拟
姓名:黄志
申请学位级别:硕士
专业:动力机械及工程
指导教师:王彤
20080201
上海交通大学硕士学位论文摘要

分叉流道中气固两相流动的实验研究与数值模拟

摘要

随着工业的发展以及对环境保护的日益重视,对工业粉尘分离装置
的要求越来越高。工业粉尘不但危害人类的健康,而且会破坏工业设备,
危害设备的安全运行,造成设备零部件的频繁更换,给国家财力带来了
巨大的损失。考虑到惯性分离设备无运动部件、流动阻力小,本文建立
了分叉管道结构形式的惯性分离装置,研究其内部气固两相流动规律。
分叉管道中气固两相流动,由于壁面带有曲率,流动速度大,完全
依靠固体颗粒惯性形成气固分离,故流动较为复杂,导致流场实验测量
和数值模拟的困难。论文采用高速摄影,结合数字图像处理技术跟踪固
体颗粒的运动轨迹,通过标定轨迹图像中颗粒位置,实现了图像法对颗
粒运动速度的研究。通过工况对比,发现较大颗粒对空气的跟随性不好,
且其分离效果受到很多因素影响,包括颗粒进入管道的位置、速度大小
和方向(速度角)、以及颗粒的球形度。在所有的工况下,颗粒速度角较小
时分离效果较好;同密度下的块状颗粒分离效果总体上较球形颗粒好;
随着进口空气流速增加,颗粒分离的效果也更好。这些都是由于颗粒在
收缩管道内主流方向上惯性力分量的增大,使颗粒有足够的惯性力被甩
入清除流道中。
在分析单个球形颗粒受力以及颗粒同壁面碰撞模型的基础上,运用
数值计算软件对分叉管内部气固两相流场进行了计算。采用 k-ε紊流模
型和固相的离散相模型研究分叉管道内的气固分离现象,分析了分叉管
道内连续相流场随进口速度和清除流量系数的变化规律,得到随着清除
流量系数的增大,压力损失系数出现急剧下降,而中心流道的压力损失
降低的幅度较小。这是因为随着清除流量系数的增大,虽然清除流道中
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上海交通大学硕士学位论文摘要
流速的增加,但回流的区域出现减小,流动的阻力减小,损失减少。这
些都说明了清除流道和中心流道压力损失的主要因素不同:清除流道中
回流是引起压力损失的主要原因,而中心流道的压力损失主要受流动速
度的影响。在颗粒的分离效率方面,研究了直径在 100µm 以上的光滑球
形颗粒,分析了影响分离效率的因素。加载颗粒的速度越小,分离效率
越高;并且在颗粒速度角θ=15°左右时,分离效率有一个最大值。
同时数值模拟的结果与实验测试结果进行了比较,进一步解释了颗
粒在壁面碰撞反弹后数值结果同实验之间的误差,有助于数值计算方法
在流动模型内部流动特性研究中的进一步应用。

关键词:分叉管道,气固两相,高速摄影,图像处理,数值模拟

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上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT

THE EXPERIMENT RESEARCH AND NUMERICAL
SIMULATION OF THE GAS-SOLID TWO PHASES FLOW
IN FURCATED DUCT

ABSTRACT

With the development of industrial technology and demand of
environmental protection, it is necessary to separate industrial dust. Not only
does industrial dust endanger human health, but destroy industrial
equipments, and jeopardize the security of apparatus operation. In these
circumstances, the inertial particle separation equipment —furcated duct will
be explored in this paper, which has an advantage of no moving element and
low pressure loss.
It is very difficult to carry out experimental research and numerical
simulation in the furcated duct because of the plicated
gas-solid turbulent flow. In this