第四章
颗粒—流体两相流动
流体与颗粒的相对运动
曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient）
流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。
颗粒表面对流体有阻力，流体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。
在球坐标系中用连续性方程和N-S 方程可得到颗粒周围流体中剪应力τr θ和静压强p 的分布为
式中p 0为来流压力。
流体对单位面积球体表面的曳力（表面摩擦应力）为
θμτθ
sin 234
??
? ??=r R R u r θμρcos 232
0??
? ??-
-=r R R u gz p p 3sin 2s r r R
u R
θ
μττθ==-=-
τr θ在z 轴的分量为
()22
2200
d sin sin d 3d sin sin sin d 42r r R
F R
u R Ru
R ππ
τ
θ
π
π
φθτθθ
μφθθθθπμ==--??=?= ???????????——表面曳力(Wall drag)
所以整个球体表面摩擦曳力在流动方向上的分量F τ为
()θ
τπθτθθsin 2/cos r r =+z
θd φ
d θ
θ
θ
()22
22003
d cos sin d 3d cos cos sin cos d 2423
n
r R
F p
R
u p gR R R R g Ru π
π
ππ
φθθθ
μφρθθθθθ
πρπμ==-???=--- ???=+????????0流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为
浮力F b
与流体运动无关
流体对颗粒的形体曳力F p
正比于流速u
——形体曳力(Form drag)
流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和
426d p Ru Ru Ru
F F F τπμπμπμ=+=+=——斯托克斯（Stockes ）定律
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
μ
ρ
u d Re p p =
颗粒雷诺数
颗粒表面的总曳力F
d
(1)Re
p <2，层流区(斯托克斯定律区)
2
2
u
A
C
F
p
D
d
ρ
=
24
D
p
C
Re
=
6.0
5.
18
p
D
Re
C=
0.44
D
C≈
(2)2 p <500，过渡区(阿仑定律区) (3)500 p <2×105，湍流区(牛顿定律区) (4)Re p >2×105，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。 曳力系数C D 与颗粒雷诺数Re p 的关系 流体绕球形颗粒流动时的边界层分离 A B C 85 u0 A B C 1400 u0 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方向上产生加速度 合力为零时，颗粒与流体之间将保持一个稳定的相对速度。 d g b -F F F =()2231246 p t D p p d u g C d πρπρρ? ?=-() 43p p t D g d u C ρρρ -= 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 ∑=F u t m d d 颗粒-流体体系一定，u t 一定，与之对应的Re p 也一定。 根据对应的Re p ，可得到不同Re p 范围内u t 的计算式：(1)Re p <2，层流区(斯托克斯公式) (2)2 <2×105，湍流区(牛顿公式) 因Re p 中包含u t ，故需通过试差确定计算公式。 灵活运用上述原理还可以根据颗粒在流体中沉降速度的实验 数据关联出颗粒的粒度d p 或密度ρp 。 () 218p p t g d u ρρ μ -= ()0.6 0.27p p p t g d Re u ρρρ -=? () 1.74p p t g d u ρρρ -=? u t 是颗粒在流体中受到的曳力、浮力与重力平衡时颗粒与流体间的相对速度，取决于流固二相的性质，与流体的流动与否无关。 颗粒在流体中的绝对速度u p 则与流体流动状态直接相关。当流体以流速u 向上流动时，三个速度的关系为： u =0，u p =u t 流体静止，颗粒向下运动；u p =0，u =u t ，颗粒静止地悬浮在流体中；u >u t ，u p >0，颗粒向上运动； u p t u u u =- 非球形颗粒的几何特征与曳力系数 一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的主要几何特征。等体积当量直径d eV 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 eA A d π = 6p p p p A a V d = =66ea d a A V == p A a a φ= 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φA 。 36π V d eV =eV ea eA eV A d d d d =??? ? ??=2 φ 流体通过固定床的流动 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70mm，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（0.045mm~4.0mm）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。 由于历史的原因，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。 密度函数（频率函数）和分布函数若筛孔直径为d i-1和d i 相邻两筛的筛留质量为m i ，质量分率为x i ，则有 粒度等于和小于d p i 的颗粒占全部颗粒的质量分率 i p d i d i-1 d 0 i f p d 粒径密度函数 f 分布函数F p d 粒径i p d max d 1.0 i F () i i-1i 1 2 p d d d =+i i i-1i x f d d = -()() i i 0d p d p p f d d F =?()()i i d d p p p p d d F f d d == ——混合颗粒粒度分布函数 两函数可相互转换 混合颗粒的平均直径 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直径d pm 。若密度为ρp 的单位质量混合球形颗粒中，粒径为d p i 的颗粒的质量分率为x i ，则混合颗粒的比表面为 比表面相等 i i i i 61 p p p x a a x d ρρ?? ? ???= = ∑∑i i 61pm p d a x d == ?? ??? ∑i i i i i 11pm A eV ea d x x d d φ= = ???? ? ??? ?? ∑∑i i pm p d x d =∑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 床层的空隙率、自由截面和比表面 床层空隙率颗粒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面积床层比表面单位体积床层具有的颗粒的表面积 0b p b b V V V V V ε-== ()1b a a ε=- 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， 解决方法：用简化模型通过实验数据关联。 简化的机理模型 L u L e u 表观速度 把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为L e 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）的当量直径可表达为 管组湿润周边管组流通截面积?= 4eb d 床层颗粒的全部表面积床层空隙体积?=4eb d () 441eb b d a a εεε==-21 2 e b eb u L p d ρλ?=?? 将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为L e 、当量直径d eb 的管内流动，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。1u u ε = u 1与空床流速(又称表观流速)u 、空隙率ε的关系 工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达为单位床层高度上的压降 λ’—固定床流动摩擦系数 康采尼（Kozeny ）式：Re b <2 ()2 2 21331(1)128e e b eb p a a u L L u u L L L d ρεελλρλρε ε?-??-'=???=?= ???() b f Re λ'=14(1)eb b u d u Re a ρρμεμ = =-b K Re λ'= 22 3(1)b p a K u L εμε ?-=床层雷诺数 K ——康采尼常数，=5.0 ——康采尼（Kozeny ）方程 欧根（Ergun ）关联式：Re b =（0.17~420） 可用φA 与d eV 的乘积(φA d eV )代替d ea 。 4.170.29 b Re λ'= +2 332 2)1(29.0)1(17.4u a u a L p b ρε εμεε-+-=?()()2 2 33211150 1.75b ea ea p u u L d d εεμρεε?--=+0.11.010 100 0.01 0.1 1.0 10 100 1000 10000 λ'b Re ——欧根(Ergun) 方程 气固两相流论文：气固两相流流动参数检测方法研究 【中文摘要】随着科学技术的发展,气固两相流体系越来越广泛的存在于现代工农业生产中,如电厂发电、钢铁冶金、流化床反应装置中的气/固两相流以及粮食的气力输送等,它们都涉及到气固两相 流体系。气固两相流各种流动参数的精确测量与实时监测都关系到生产过程的稳定运行以及产品质量的高低。由于气固两相流属于复杂流动体系,其流动参数的检测方法一直以来都是一项亟待解决的技术难题。电容层析成像技术以其非接触及可视化等优点成为目前两相流参数检测方法的研究热点。本文选择电容层析成像技术作为切入点进行了以下研究:首先,文章对电容层析成像技术进行了系统的分析与研究,并且利用大型有限元分析软件ANSYS建立了二维、三维立体模型,方便快捷的得出了仿真电容值,相比较于利用MATLAB或者VC编程的方法获得电容值缩短了开发时间并降低了开发成本。其次,通过对应用于电容层析成像技术中的典型的八电极结构传感器进行深入的分 析与实验仿真,文章给出了此结构传感器的灵敏度分布,并且利用神 经网络对实验管道内部的物像分布进行了图像重建。结果表明,八电极电容传感器没有均匀的灵敏场分布以及较高的灵敏度,这给图像重建的精确度造成了一定的影响。最后,为了... 【英文摘要】With the development of science and technology, gas-solid two-phase flow systems are more and more widely applied in modern industrial and agricultural production. For 气固两相湍流模型的分类 对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，而把颗粒群作为离散体系，在拉氏坐标系内加以描述；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，两相在空间共存和互相渗透，两相都在欧拉坐标系内加以描述。不同观点描述两相流所得数学模型也不同，目前常用的模拟模型有：单流体模型（无滑移模型）、小滑移模型、双流体模型（多流体模型或滑移－扩散的多连续介质模型）、颗粒轨道模型。 单流体模型 把单相流体力学概念直接推广到两相流中，把含有颗粒群流体看成一个单一的流体，提出了一种模拟气粒两相流动简化模型，即单流体模型或无滑移模型。与单相流体流动方程相比，单流体模型仅增加了几个颗粒相连续方程（类似于气相组分扩散方程），并在气相方程中增加了颗粒源项，因此该模型相当简单。该模型的主要优点是处理方法简单，计算方便。其缺点是未考虑颗粒相及气相之间的阻力作用（即假设气体与颗粒之间无速度和温度滑移），以及认为颗粒扩散系数和气体扩散系数相等，与实际的气固两相流动情况差异很大，故目前应用的较少。 小滑移模型 小滑移模型则是在单流体模型的基础上发展的，在此模型中，或者颗粒相对流体流动的影响被认为是小扰动，或者该影响被完全忽略。模型中假设颗粒的运动单纯由流体流动引起，流体与颗粒的速度滑移相对于平均流动来说是小量，这一滑移是颗粒扩散的结果。它考虑了颗粒的滑移并涉及了颗粒和气相间因滑移而引起的阻力，从而增加了颗粒群的动量方程，但求解典型程序仍与无滑移模型相同。其优点是考虑了颗粒的湍流扩散、湍流粘性以及滑移引起的阻力，相对接近于实际情况。 双流体模型 该模型的出发点是把颗粒群和气体都作为连续介质，两者相互渗透组成双流体或多流体系统，在欧拉坐标系下考察气粒两相流动，即欧拉—欧拉模拟湍流两相流动。近年来双流体模型已用于模拟一维非定常水汽两相流、炮膛内非定常二维湍流气粒两相流、气粒两相射流、有蒸发的液雾气体射流、闭式同轴射流中气体液雾流动与燃烧、带有或不带高速射流的突扩燃烧室中二维及三维湍流回流气粒两相流动和燃烧、四角喷燃炉中三维湍流旋流回流气粒两相流动和流化床中二维气化过程等。 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型可分为：颗粒群轨道模型和随机轨道模型。前者假设不存在颗粒扩散，而后者利用Monte-Carlo法计算，考虑了颗粒扩散。 颗粒轨道模型的主要优点是计算工作量小，对有蒸发、挥发和异相反应的颗粒相复杂经历时，能较好的追踪颗粒的运动，颗粒相用拉格朗日处理数值计算也不会产生伪扩散。其缺点是对颗粒湍流扩散缺乏较好的处理方法，不能全面模拟颗粒的紊流扩散过程，而且计算所得到的拉氏 计算流体课程大作业 目录 一、题目 (3) 二、物理现象分析和数学模型 (4) 三、GAMBIT操作过程 (5) 四、Fluent计算过程 (9) 五、计算结果的处理 (16) 六、网格独立性检验 (19) 一、题目 8、气固两相流（4） 1）题目说明 图中未标注单位mm 。 喷嘴长度100mm ，喷嘴直径50mm ， 空气：进口流速分别为10m/s 和50m/s ，物性取默认值 水滴：进口颗粒速度5m/s ，颗粒粒径为60μm ，颗粒浓度0.2。 温度20°C ，不考虑换热 2）具体计算要求（前面列出的要求，这里不在列举）： 网格取为四面体网格 网格独立性检验 使用Euler 模型（Mixture 模型或Euler 模型任选其一）计算，系统内气固两相流。要求展示流场（云图和矢量图）、颗粒浓度分布 500 1000 200 500 300 二、物理现象分析和数学模型 1、对实际问题作必要的简化，建立起相应的物理模型 本题为三维管内气固两相流，欲用数值方法得出其中的流动情况时，可作以下简化处理： （1）气体物性为常数；水滴：颗粒粒径为60μm ，颗粒浓度0.2。 （2）υ vl R g = ，m l 1.0= ， 5 105.1-*=υ ,已知空气v=1 水滴v=5m/s 时 ，2000>>g R 所以流动为湍流； （3）不考虑换热； （4）不考虑重力； （5）气体流速不高，压强不变，所以视空气为不可压缩流体。 通过这些假设，就把这一问题简化成为一个三维，稳态，常物性，无内热源的湍流流动问题，这就是所研究问题的物理模型。 2、对所研究的物理模型建立起相应的数学描述。 连续性方程: 0=??+??+??z w y v x u 动量方程： ()()()x f z u y u x u v x p z uw y uv x uu t u +???? ????+??+??+??-=??+??+??+??2222221ρ ()()()y f z v y v x v v x p z vw y vv x vu t v +???? ????+??+??+??-=??+??+??+??2222221ρ ()()()z f z w y w x w v x p z ww y wv x wu t w +??? ? ????+??+??+??-=??+??+??+??2222221ρ 初始条件：空气：进口流速分别为10m/s 和50m/s 水滴：进口颗粒速度5m/s 第25卷第1期2011年3月 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报 JOU RNAL OF SH ANGH AI UNIVERSIT Y OF ENGINEERING SCIENCE Vol.25No.1M ar.2011 文章编号:1009-444X(2011)01-0049-05 收稿日期:2010-12-23 基金项目:上海市科委重点科技攻关资助项目(0852*******);上海工程技术大学研究生科研创新资助项目(A-0503-10-14)作者简介:孙 晨(1985-),男,在读硕士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:scn_ok@https://www.doczj.com/doc/fb8024995.html, 指导教师:陈凌珊(1966-),女,教授,博士,研究方向为车辆尾气排放与控制.E m ail:b ech enlsh@https://www.doczj.com/doc/fb8024995.html, 气固两相流模型在流场分析中的研究进展 孙 晨,陈凌珊,汤晨旭 (上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620) 摘要:介绍了气固两相流的基本方程、理论模型和研究方法,论述了常用3类模型在流场模拟中的研究进展及应用状况.研究表明,气固两相流模型在工程实践中具有重大的应用价值,并对其研究趋势作出了展望. 关键词:气固两相流;连续介质;颗粒轨道模型;拟流体;数值模拟中图分类号:TK 121 文献标志码:A Study and Development of Gas Solid Two Phase Flow Model in Flow Field Analysis SU N Chen,CH EN Ling shan,TANG Chen x u (College of Automotive Engineering,Sh angh ai University of Engineering Science,Shanghai 201620,Chin a) Abstract :Basic equations,theo retical models and research m ethods o f the g as solid two phase flo w w er e introduced.Recent studies and applications of three com mon m odels in flow field simulatio n w ere dis cussed.A conclusion is draw n that the gas so lid tw o phase flow m odel ow ns g reat value in engineering practice.Then,the trend of researches on gas so lid tw o phase flow model w er e ex pected. Key words :g as solid tw o phase flow ;continuous m edium ;par ticulate tr ajector y mo del;pseudo fluid;numerical simulatio n 纷繁复杂的多相物体流动普遍出现在自然界、日常生活和生产实践中.其中,气体与固体颗粒形成的多相流称为气固两相流,是流体力学与能源、动力、石油、化工等学科交叉的新兴系统科学.随着科技的迅猛发展,人们对两相流在工业应用领域的研究日益重视,如何用气固两相流模型对流场内流体分布及特征进行模拟仿真,已成为两相流问题的研究热点. 近年来,国内外众多专家学者对气固两相流问题进行了大量的研究.其中,气相流动、固相流动、气固相互作用是气固两相流研究的3个主要方面.本文着眼于稠密两相流颗粒运动模拟、气固紊流剪切流场模拟、不同管线及复杂弯管流场模拟、内燃机缸内湍流燃烧分析、旋风分离器和流化床气力输送等当前热门研究领域,结合相关理论与方法,系统地论述了基于欧拉坐标系的连续介质模型、基于 两相流体力学研究综述 1. 引言 两相流是以工程热物理学为基础,为满足能源、动力、化工、石油、航空、电子、医药等工业进步的要求,而与数学、力学、信息、生物、环境、材料、计算机等学科相互融合交叉而逐步形成和发展起来的一门新兴交叉学科。两相流早日形成统一的学术理论和成熟的应用技术,对21世纪全球所面临的生态环境和能源资源两个焦点问题的解决将有很大的推动作用,是人类在21世纪可持续发展中面临的重大技术问题之一。该工程领域的突破能促进全球能源与环境经济的进步。 在瓦特(Watt)发明蒸汽机以后,随着工业技术的发展,两相流的研究开始得到重视。1877年Boussines系统研究了明渠水流中泥沙的沉降和输运问题,1910年,Mallock研究了声波在泡沫液体介质中传播时强度的衰减过程。20世纪40年代前,一些有价值的气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文,以及研究成果分散在各工业部门,很少系统研究成果。两相流的术语在20世纪30年代首先出现于美国的一些研究生论文中;1943年,苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上;其后1949年在J.Ap-pl.Phys杂志上也出现了两相流(two-phase flow)这一名词。中国对于两相流的研究起步于20世纪60年代。20世纪80年代以来,除相关论文以外,陆续出版了一些关于两相流的教材和专著,如陈之航(1983)、佟庆理(1982)、陈学俊、林宗虎、张远君等(1987)、方丁酉(1988)、周强泰(1990)、周力行、李海青(1991)、吕砚山(1992)、刘大猷(1993)、郭烈锦(2002)、林建忠(2003)等。 虽然有如此多的文献和著作,但两相流的研究历史还不是很长,对于两相流的理论研究尚处于发展阶段,大量的问题还是靠试验和经验来解决,严格地从数学角度建立数学模型来解决问题,是两相流成为系统的科学还需要一个过程。 2. 两相流分类 相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分,即相是物质的单一状态,如固态、液态和气态。在两相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般来说,各相有明显的分界面。两相流就是指物质两相同时并存且具有明显相界面的混合流动。相的概念在不同学科中界定有所不同。 在物理学中:物质分固、液、气和等离子体四相或四态。单相物质及两相混合均匀的气体或液体的流动都属于单相流;同时存在两种或两种以上相态的物质混合体的流动称为两相或多相流。 在多相流体力学中:从力学的观点来看,不同速度、不同温度和不同尺寸的颗粒、液滴或气泡具有不同的力学特性,因此可以是不同的相。对于颗粒相大小很分散的两相流,可以按颗粒大小相近的原则分组而使其动力学性质相似,不同的组用不同的动力学方程来描述,这样的两相流也称为多相流。从物态的角度来看,不同物态、不同化学组成、不同尺寸和形状的物质也可能属于不同的相。 两相流动中,把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质,称为连续相或流体相;固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质,称为分散相或颗粒相。流体相和颗粒相组成的流动称为两相流。这里颗粒相可以是不同物态、不同化学组成和不同尺寸的颗粒,从而使复杂的多相流动简化。两相及多相流广泛存在于自然界和工程中,常见的分为气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流及多相流。 3. 两相流的研究方法 两相流的研究方法同单相流体力学的研究方法一样,也分为理论研究、实验研究和数值计算三种方法。对于两相流体力学而言,由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清 气固两相流在燃烧器中的应用 1、气固两相流的基本理论 不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。 2、气固两相流的基本特点 单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。一般来说，有以下主要的特点: (1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。 (2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。 (3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。 (4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。在不等温的热流中还存在着热泳现象。 (5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。 (6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。 (7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。 3、气固两相流的分类 工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。 对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。稀相两相流的颗粒相对气相影响很小，可以忽略不计，但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向祸合(One-Way Coupling)。 4、气固两相流的特性参数 由于气固两相流中增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的相界面。而各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，导致了流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比不相等。因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流动特性参数要复杂很多。主要的参数有:两相浓度(各相所占的相对容积，重量等)、空隙度(流体所占的体积与整个两相流体的总体积之比)、两相密度(各相的总重量与总体积的比)，比面积(分散颗粒相的表面积与其体积之比)、以及两相粘度、两相比热、两相导热系数和颗粒的松弛时间等。 除此，还有其他的一些参数，如两相流体的密度，颗粒平均尺寸等。 5、工程气固两相流模化实验的原理 气固两相流进行模化时，首先要做到几何相似，其次要使雷诺数相等或者气流达到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。为了使模型与原型中的两相流动相似，还必须要遵循一定的准则。 3.1固气两相流输送理论 载气式送粉器主要依靠动能把粉末均匀、稳定地输送出来，辅之以气体分散和运输，粉末容易分散均匀及流畅运输。因此送粉器的结构设计和送粉器的应用都要用到固气两相流输送的相关理论。 3.1.1固气两相流输送原理 固气两相流，也称气力输送，是一种利用空气流作为输送动力在管道中输送粉粒状颗粒料的方法。 物料在管道中的流动状态实际上很复杂，主要随气流速度及气流中所含的物料量和物料本身料性的不同而显著变化。通常，当管道内气流速度很高而物料量又很少时，物料颗粒在管道中接近于均匀分布，并在气流中呈完全悬浮状态被输送，见图3-1（a ）。随着气流速度逐渐减小或物料量有所增加，作用于颗粒的气流推力也就减小，使颗粒速度也相应减慢。加上颗粒间可能发生碰撞，部分较大颗粒趋向下沉接近管底，这时管底物料分布变密，但物料仍然正常地被输送，见图3-1(b)。当气流速度再减小时，可以看到颗粒成层状沉积在管底，这时气流及 一部分颗粒从它的上层空间通过。而在沉积层的表面，有的颗粒在气流的作用下也会向前滑移，见图3-1(c)。当气流速度开始低于悬浮速度或者物料量更多时，大部分较大颗粒会失去悬浮能力，不仅出现颗粒停滞在管底，在局部地段甚至因物料堆积形成“砂丘”。气流通过“砂丘”上部的狭窄通道时速度加快，可以在一瞬间将“砂丘”吹走。颗粒的这种时而停滞时而吹走的现象是交替进行的，见图3-1(d)。如果局部存在的“砂丘”突然大到充填整个管道截面，就会导致物料在管道中不在前进。如果设法使物料在管道中形成料栓，见图3-1(e)。也可以利用料栓前后的压力差推动它前进。 以上所说的物料气力输送流动状态中，前三种属于悬浮流， 颗粒是依靠高速 2014年7月 CIESC Journal July 2014第65 卷 第7期 化 工 学 报 V ol.65 No.7 气固两相流强化传热研究进展 刘传平1,3，李传2，李永亮3，丁玉龙3,4，王立1 (1北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2Institute of Particle Science and Engineering, University of Leeds, Leeds LS2 9J T , UK ；3Shool of Chemical Engineering, University of Birmingham, Edgbaston, Birmingham B15 2TT ，UK ； 4中国科学院过程工程研究所，北京 100090) 摘要：在气流中加入颗粒，形成气固两相流。根据气流速度的不同，气固两相流分为鼓泡流态化、快速流态化、 气力输送等形式。不同的流动形态，两相流内颗粒浓度及颗粒的运动规律不同，其传热特点也存在差异。通过回 顾几种多相流流态的传热特点，总结了多相流与传热面换热的影响因素、气固两相流的传热机理与模型。气固两 相流中颗粒浓度、颗粒运动对其传热起决定性作用，而操作参数（气流速度、床层压力、床层温度等）则主要通 过改变颗粒浓度和颗粒运动影响传热。此外，通过气固两相流强化传热的应用实例——气固两相流与填充床的热 交换，分析了颗粒在对流换热中所起的作用，并进一步提出了今后研究方向和难点所在。 关键词：传热；两相流；流态化；对流；气固混合物 DOI ：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.07.010 中图分类号：TQ 022.4 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2014）07—2485—10 Heat transfer enhancement in gas-solid flow LIU Chuanping 1,3, LI Chuan 2, LI Yongliang 3, DING Yulong 3,4, WANG Li 1 （1School of Mechanism Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083, China ; 2Institute of Particle Science and Engineering , University of Leeds , Leeds LS 2 9JT , UK ; 3School of Chemical Engineering , University of Birmingham , Edgbaston , Birmingham B 15 2TT , UK ; 4Institue of Process Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100090, China ） Abstract ：By adding particles into a gas flow, a gas-solid flow is formed. As the gas velocity increases, the gas-solid flow shows different patterns as bubbling fluidization, circulating fluidization and pneumatic conveying, in which the concentration of particles and the motion of gas-solid mixture are different, influencing the heat transfer between the gas-solid flow and immersed surface. In this paper, the heat transfer characters of the three flow patterns are reviewed, and the influencing factors, heat transfer mechanism and models are summarized. The concentration of particles and their movement play a decisive role on the heat transfer, and the operating parameters (gas velocity, bed pressure, bed temperature, etc ) influence the heat transfer through changing the particle concentration and movement. A case of heat transfer enhancement, the heat exchange between gas-solid mixture and fixed bed, is analyzed. In addition, the future research area and the difficulty are presented. Key words ：heat transfer; two-phase flow; fluidization; conduction; gas-solid mixture 引 言 化工过程经常涉及热量传递，如化学反应通常 要在一定温度下进行，为了达到反应温度，必须对反应器加热或冷却；在蒸发、精馏、干燥等单元操作中，也需要输入或输出热量。温度和热量是影响 2014-03-27收到初稿，2014-04-07收到修改稿。 联系人：丁玉龙。第一作者：刘传平（1982—），男，博士，讲师。 Received date : 2014-03-27. Corresponding author : Prof. DING Yulong, y.ding@https://www.doczj.com/doc/fb8024995.html, 第2章送粉器模型的建立与参数的选择 2.1沸腾式送粉器基本原理及建模 沸腾式送粉器的基本结构如图2-1所示，它通过沸腾进气使粉末在气流的作用下通过小孔进入输送管中，再由送粉气路将粉末加速并送到送粉喷嘴进行激光熔覆。沸腾气流分别从下端沸腾进气口和上端沸腾进气口同步送入送粉仓，以使粉末进入临界流化或流化状态。粉末仓下端有筛网以防止粉末落下而堵住下端沸腾进气口。另外，本文实验用的送粉器送粉管直径为2mm，连接送粉仓与送粉管的小孔直径为1mm。 图2-1 沸腾式送粉器结构原理图 由于该送粉器并不具有轴对称性，无法简化为二维模型进行模拟，三维模型计算的要求较高，计算时间久，但其更能真实反映送粉器的送粉过程。因此本文运用Gambit软件进行三维建模，其尺寸则根据实验用的送粉器尺寸，以便模拟结果可得到实验的检验。划分网格后，如图2-2所示，针对不同的区域分块画上结构与非结构网格，并在重要区域进行网格加密，尤其是粉末从粉仓中通过只有1mm直径的小孔进入送粉管中，这些地方网格数量会影响最终结果的准确性。 本文网格质量(EquiSize Skew)控制在0.7以内即可得到较好的收敛效果，网格数 图2-2 送粉器数值模拟网格模型 大于15万。在下端沸腾进气口，上端沸腾进气口和送粉气流入口均设为速度入口，粉末送出口和上端的气流出口均为压力出口。 2.2边界条件及其他参数的确定 2.2.1曳力系数的计算 根据文献资料，对多数流速低的工况，Syamlal-O’Brien，Gidaspow和Wen-yu 等均出现曳力过大等现象。本文将引入应用工况与该类送粉器类似的曳力模型，并进行相应的修正，以使曳力模型适用于本文低流速的情况。 根据本文研究的实际情况，需要输送的粉末粒径(90μm)属于A类颗粒粒径范围（30μm~100μm），用于粉末沸腾的气流流速为0.02m/s左右，镍基合金粉末密度远大于气体密度等特点，Mckeen曳力模型和Zimmermann提出针对Syamlal- O’Brien模型的修正所应用的工况与本文相似。 考虑到Syamlal-O’Brien曳力模型适用的最小流动速度为0.25m/s，超出了本文模拟的情况。因此根据Zimmermann[49]提出的针对最小流化速度的修正模型，通过修改参数P和Q来修正最小流化速度(式1-10中)。并对临界流化速度低的气固两相流论文气固两相流流动参数检测方法研究
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