颗粒流体两相流动优选ppt资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,颗粒(kl)流体两相流动,第一页，共48页。,流体与颗粒(kl)的相对运动,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,流体(lit)与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。,颗粒表面对流体(lit)有阻力，流体(lit)则对颗粒表面有曳力。,阻力与曳力是一对作用力与反作用力。,由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面的复杂性，流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体壁面上要复杂得多。,爬流(,Creeping flow)：,来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称,。,第二页，共48页。,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,在球坐标系中用连续性方程(fngchng)和N-S方程(fngchng)可得到颗粒周围流体中剪应力 r 和静压强 p 的分布为,式中p0为来流压力。,流体对单位面积球体表面(biomin)的曳力（表面(biomin)摩擦应力）为,第三页，共48页。,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,r 在 z 轴的分量(fn ling)为,表面(biomin)曳力(Wall drag),所以整个球体表面摩擦曳力在流动方向上的分量,F,为,z,d,d,第四页，共48页。,0,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,流体静压强对整个球体(qit)表面的作用力在流动方向上的分量为,浮力 Fb,与流体运动(yndng)无关,流体对颗粒的形体曳力,F,p,正比于流速,u,形体曳力(,Form drag),第五页，共48页。,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,流体流动对颗粒表面(biomin)的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和,斯托克斯（Stockes）定律(dngl),严格说只有在,Re,p,0.1,的爬流条件下才符合上式的求解条件,颗粒雷诺数,第六页，共48页。,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,颗粒(kl)表面的总曳力 Fd,(1)Rep2，层流(cn li)区(斯托克斯定律区),(2)2,Re,p,500，,过渡区(阿仑定律区),(3)500,Re,p,210,5,，,湍流边界层区,边界层内的流动也转变为湍流，流体动能增大使边界层分离点向后移动,，,尾流收缩、形体曳力骤然下降，实验结果显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象，,C,D,0.1。,第七页，共48页。,曳力与曳力系数(xsh)（Drag and drag coefficient）,曳力系数 CD 与颗粒(kl)雷诺数 Rep 的关系,流体绕球形颗粒(kl)流动时的边界层分离,第八页，共48页。,自由(zyu)沉降与沉降速度（Free settling and settling velocity）,单颗粒（或充分分散、互不干扰的颗粒群）在流体中自由沉降时在所受合力(hl)方向上产生加速度,合力为零时，颗粒与流体之间将保持(boch)一个稳定的相对速度。,F,d,F,g,F,b,u,t,由颗粒与流体综合特性决定，包括待定的曳力系数,C,D,重力场中的沉降速度,第九页，共48页。,自由(zyu)沉降与沉降速度（Free settling and settling velocity）,颗粒-流体体系一定，ut一定，与之对应的Rep 也一定。,根据对应的 Rep，可得到(d do)不同Rep范围内 ut 的计算式：,(1)Rep2，层流(cn li)区(斯托克斯公式),(2)2,Re,p,500，,过渡区(阿仑公式),(3)500,Re,p,ut，up 0，颗粒向上运动；,u ut，up 0，颗粒向下运动。,第十一页，共48页。,非球形颗粒的几何特征(tzhng)与曳力系数,一般采用与球形颗粒相对(xingdu)比的当量直径来表征非球形颗粒的主要几何特征。,等体积当量(dngling)直径 deV,等表面积当量直径,d,eA,等比表面积当量直径,d,ea,颗粒形状系数,非球形颗粒4个几何参数之间的关系,工程上多采用可以测量的等体积当量直径,d,eV,和具有直观意义的形状系数,A,。,第十二页，共48页。,流体通过(tnggu)固定床的流动,固定床（Fixed bed）：固定不动的固体颗粒层,例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体(lit)在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。,颗粒床层的几何(j h)特性,粒度分布,测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒，粒度一般大于70,mm，,通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。,标准筛：国际标准组织 ISO 规定制式是由一系列筛孔孔径递增（0.045 mm mm）的，筛孔为正方形的金属丝网筛组成，相邻两筛号筛孔尺寸之比约为2。,由于 的原因，各国还保留一些不同的筛孔制，例如常见的泰勒制，即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号，国内将其称之为目数。,第十三页，共48页。,密度(md)函数（频率函数）和分布函数,若筛孔直径为 di-1 和 di 相邻两筛的筛留质量(zhling)为mi，质量(zhling)分率为xi，则有,粒度等于(dngy)和小于 dpi 的颗粒占全部颗粒的质量分率,混合颗粒粒度分布函数,两函数可相互转换,第十四页，共48页。,混合(hnh)颗粒的平均直径,由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大，通常以比表面积相等的原则定义混合颗粒的平均(pngjn)直径 dpm。,若密度为p的单位质量混合球形颗粒(kl)中，粒径为dpi的颗粒(kl)的质量分率为xi，则混合颗粒(kl)的比表面为,比表面相等,对于非球形颗粒，按同样的原则可得,也可用质量平均求混合颗粒的平均直径,第十五页，共48页。,床层的空隙率、自由(zyu)截面和比表面,床层空隙率 颗粒(kl)床层中空隙体积与床层总体积之比,床层自由截面 颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙(kngx)面积,床层比表面,单位体积床层具有的颗粒的表面积,第十六页，共48页。,流体(lit)通过固定床的压降,流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动，流速的方向与大小时刻变化，一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均匀，另一方面使流体产生相当大的压降。,困难：通道的细微几何结构十分复杂，即使是爬流时压降的理论计算也是十分困难的，,解决(jiju)方法：用简化模型通过实验数据关联。,简化的机理(j l)模型,第十七页，共48页。,流体(lit)通过固定床的压降,把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管，其总的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。,该管组（即床层）的当量直径(zhjng)可表达为,将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直径 deb 的管内(un ni)流动，床层的压降 p 表达为,u,1,流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒空隙间的实际(平均)流速。,u,1,与空床流速(又称表观流速),u,、,空隙率,的关系,第十八页，共48页。,流体(lit)通过固定床的压降,工程上为了直观对比的方便而将流体(lit)通过颗粒床层的阻力损失表达为单位床层高度上的压降,固定床流动(lidng)摩擦系数,康采尼（,Kozeny）,式：,Re,b,2,床层雷诺数,K,康采尼常数，=5.0,康采尼（,Kozeny）,方程,第十九页，共48页。,流体(lit)通过固定床的压降,欧根（Ergun）关联(gunlin)式：Reb=（0.17420）,可用 A 与 deV 的乘积(chngj)(A deV)代替 dea。,欧根(,Ergun),方程,第二十页，共48页。,流体(lit)通过固定床的压降,当 Reb 2.8(Rep 280(,Re,p,1000)时，欧根方程右侧第一项可忽略。即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。,第二十一页，共48页。,固体(gt)颗粒流态化(Fluidization),流态化(流化床)：颗粒(kl)在流体中悬浮或随其一起流动。,强化颗粒(kl)与流体间的传热、传质与化学反应特性。,流态化过程及流化床操作(cozu)范围,流态化过程床层压降及床高变化曲线,初始流态化：,临界流化速度,u,mf,临界空隙率,mf,颗粒被气流带出：,带出速度,u,（=,u,t,）,流化床操作范围：临界流化速度,u,mf,与带出速度之间,第二十二页，共48页。,临界流化(li hu)速度,umf是流化床的特性，是固定床变为流化床的一个转折点。可由实验测定的pb u 曲线得到较准确的值。,初始流化时，床层内颗粒群（注意不是单颗粒）所受的曳力、浮力(fl)与重力相平衡，即流体通过床层的阻力 pb 等于单位床层面积上颗粒所受的重力与浮力(fl)之差,因该状态下床层压降也符合欧根方程，将其与上式联立并用(bn yn)（AdeV）代替 dea，可得,第二十三页，共48页。,临界(ln ji)流化速度,当 deV 较大，umf 对应的Rep1000 时，左侧(zu c)第一项可忽略，,注意：计算 umf 的准确程度及可靠(kko)范围取决于关联式本身。应充分估计 umf 计算值的误差。最好以实验测定为准。,颗粒几何性质及床层,mf,可用经验式估算,当,d,eV,较小，,u,mf,对应的,Re,p,10%pbmmH2O)可使气体初始分布均匀，以抑制(yzh)气泡的生成和沟流的发生。,多孔板,风帽(fngmo),管式,内部构件：,阻止气泡合并或破碎大气泡。,宽分布粒度：,宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。,床层振动：,气流脉动：,第二十七页，共48页。,聚式与散式流态化的判断(pndun),散式流态化（,Particulate fluidization）：,特征：颗粒(kl)分散均匀，随着流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。,散式流态化是较理想的流化状态。一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。,聚式流态化（,Aggregative fluidization）：,特征：颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构。即颗粒浓度与空隙率分布较均匀且接近初始流化状态的连续相(乳化相)和以气泡形式夹带着少量颗粒穿过床层向上运动的不连续相(气泡相)。又称鼓泡流态化。,一般出现在流-固两相密度差较大(jio d)的体系，如气-固流化床。,第二十八页，共48页。,聚式与散式流态化的判断(pndun),气-固流态化与液-固流态化并不是(b shi)区分聚式与散式流态化的唯一依据，在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化(重金属颗粒在水中流化)行为。,散式流态化,聚式流态化,临界流化(li hu)条件下的弗鲁德数，D为床径,根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，,B.Bomero,和,I.N.Johanson,提出了如下的准数群判据：,第二十九页，共48页。,流化床床层高度(god)及分离高度(god),流化(li hu)数,散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律,聚式流化乳化相的空隙率几乎不变，床层膨胀主要由气泡相的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个(y