文档介绍：第二章颗粒流体力学
本章提要
固体物料的气力输送、离心分离等都涉及到颗粒流体力学。本章主要介绍了固体颗粒在流体中阻力系数、重力沉降和离心沉降,讨论了Stokes公式、非球形颗粒沉降和干扰沉降修正系数,介绍了流体通过颗粒层的层流状态、湍流状态及流化床。
在流体力学中,只研究单一相的均质流体的流动问题。但是,在自然界的许多工程中,常遇到处理许多不同态物质的混合物的流动问题。通常把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功,简称多相流。最普通的一种多相流动为两相流动。它是由四种态物质(即固态、液体、气体和等离子体)中的任意两种态结合组成。有关这些两相流动问题的结论和分析,亦可以推广应用到多相流动的情况。本章主要介绍颗粒流体两相的流动力学,这些情形中,固体颗粒均匀或不均匀地分布在流体中,形成两相流动体系。
颗粒两相流动特点
①系统中除了固体颗粒外,至少另有一种流体(气体或液体)同时存在,颗粒是分散相,粒径大小不一,运动规律各异。
②系统中至少存在着一种力场(重力场、惯性力场、磁或电力场等)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。
③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,并且这种碰撞和摩擦会产生静电效应。
④在湍流工况下,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。
⑤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间的相互碰撞等原因,会导致颗粒的旋转,从而产生升力效应。
⑥系统中除了颗粒与流体的运动外,往往还存在着其他传递过程(相内或相界面的能量与质量的传递)以及同时进行着的化学反应过程;
⑦系统中颗粒的粒径范围为10-5~10cm。
颗粒流体的两相流动三种典型情况
(1)固定床:流体穿过固定的颗粒层的流动,例如立窑中粒料的煅烧,移动式炉篦上熟料的冷却、料浆的过滤脱水以及过滤层收尘等过程;
(2)流化床:当流体速度增加到一定程度,固定颗粒层呈现较疏松的活动(假液化)状态(即流化床)的流动,例如流态化烘干预热、粉状物料的空气搅拌以及空气输送斜槽的气力输送等过程;
(3)连续流态化:流体与固体颗粒相对运动速度更高,颗粒在流体中呈更稀的悬浮态运动(即连续流态化)的流动,例如悬浮预热分解、沉降、收尘、分级分选、气力输送等过程。
第一节两相流的基本性质
1 两相流的浓度
、质量和密度分别为Vp、Mp和ρp,流体的体积、质量和密度分别为Vf、Mf和ρf,两相流的总体积、总质量和密度分别Vm、Mm和ρm
显然,
Mm=Mp+Mf;
Vm=Vp+Vf;
则颗粒的浓度可作如下定义:
①体积浓度固体颗粒的体积占两相流总体积的分数,以Cv表示。
(2-1)
若以单位体积流体所拥有的固体颗粒体积表示,则有
②质量浓度单位质量的两相流中所含固体颗粒的质量,以Cw表示
若以单位质量流体所拥有的固体颗粒质量表示,则有
(2-4)
(2-3)
(2-2)
若已知两相流密度ρm,则上述各式可直接用密度表示
(2-5)
(2-6)
(2-7)
(2-8)
一般地,ρm<<ρp,故Cv<<Cw;对于气固两相流,因为气固密度比大致为10-3数量级,其体积浓度远小于质量浓度。因此、在某些场合,为了简化颗粒与气体流体的运动方程,可忽略颗粒所占的体积而不会引起太大误差。但须注意,当质量浓度很大(譬如浓相气力输送)时、或质量浓度虽不大但气固密度比较大时,则不可忽略颗粒体积,否则会导致较大误差。
在颗粒浓度很高的两相流中,常用到空隙率ε的概念,其定义为流体体积与两相流总体积之比、数学表达式为
空隙率也可用颗粒的质量浓度来表示
(2-9)
(2-10)
2 两相流的密度
在两相流中,既有固体颗粒,又有流体介质,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和介质相的密度,
分别以ρpj和ρfj表示之。
两相流的密度定义为:
ρm、ρp、ρf具有如下关系
(2-11)
(2-12)
第二节颗粒在流体中的沉降现象
1 颗粒在静止流体内的沉降
设有一表面光滑的球形颗粒,在无限广阔的静止流体空间内,颗粒不会受到其他颗粒及容器壁的影响而做自由沉降,实际上,在有限的流体空间内,当颗粒群的体积浓度较低,各颗粒之间既不直接也不通过流体间接地影响彼此的沉降时,也可以当作是自由沉降。
颗粒在静止流体内自由沉降时,不仅受到重力而且还受到浮力和阻力的作用,在诸力共同作用下,颗粒的运动方程式为:
(2-13)