气固两相流动的基本概念和特性参数

旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析共3篇旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析1旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析旋风分离器是一种广泛应用于化工、环保、电力等领域的气固分离设备，其利用离心力将气固两相流中的颗粒物分离出来，一般被用作除尘和粉尘回收设备。

本文将介绍旋风分离器的气固两相流数值模拟及性能分析。

气固两相流是指气体与固体颗粒混合物流动的状态。

旋风分离器中的气固两相流在进入设备后，经过导流装置后便会进入旋风筒，此时气固两相流呈螺旋上升流动状态，颗粒物受到离心力的作用被抛向旋风筒壁，而气体则从旋风筒顶部中心脱离，从出口排放。

因此，旋风分离器气固两相流的流体物理特性显得尤为重要。

本文采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对旋风分离器气固两相流进行数值模拟。

对于气体流动部分，采用了二维轴对称的控制方程式，包括连续性方程、动量方程和能量方程，而对于颗粒物流动部分，采用了颗粒物轨迹模型（Particle Tracking Model，PTM）。

在数值模拟过程中，采用了FLUENT软件进行求解，其中的数值算法采用双重电子数法（Electron Electrostatic Force Field，E3F2）。

数值模拟结果显示，在旋风分离器中，气体的流速主要集中在筒壁附近，而在离筒中心较远的地方，则流速较慢，颗粒物则以螺旋线的方式向旋风筒壁移动，并沿着筒壁向下运动。

颗粒物在旋风筒中受到离心力的作用后，其分布状态将随着离心力的变化而变化，最终沉积在筒壁处。

数值模拟结果还表明，旋风分离器的分离效率随着旋风筒直径的增加而增加。

为了验证数值模拟结果的可信度，实验室制作了一个小型旋风分离器进行了实验研究。

实验结果表明，数值模拟与实验结果相比较为一致，通过数值模拟可以较好地描述旋风分离器中气固两相流动的情况并用于性能预测。

综合来看，数值模拟是一种较为有效的旋风分离器气固两相流性能分析方法，可以较好地预测旋风分离器的分离效率和颗粒物的分布状态，为旋风分离器的设计和优化提供了有力支持综上所述，本文利用数值模拟方法和实验研究相结合的方式，对旋风分离器的气固两相流动性能进行了分析。

第三章循环流化床锅炉气固两相流基础理论循环流化床锅炉中的气—固两相流流体动力特性是学习其燃烧特性和传热特性的基础。

为了叙述方便和更好地理解本章及以后章节的内容，首先简单介绍一下循环流化床锅炉涉及的部分概念和定义。

第三节流化床基本原理一、颗粒流态化的概念1．流态化现象当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流化现象。

2．流态化的定义当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象或者当固体颗粒与气体或液体接触时固体颗粒转变成类似流体状态，这种状态称为流态化。

3．流化床的流体力学性质流化床流态化后，具有与流体一样的性能，主要表现在以下几方面。

（1）浮力定律。

密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。

（2）液面特性。

床表面保持水平，形状保持容器的形状。

（3）小孔射流。

在流化床侧面开孔，流化床固体物料像流体一样射流，离床层上表面越近，射流距离越小；越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出去。

（4）连通效应。

几个流化床底部联通后，床层高度自动保持同一水平高度。

气体流化床的拟流体性质见图3—4图3—4 气体流化床的拟流体性质气固流化床类似流体的性质还有：①在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重要；②密度高于床层表面密度的物体在床内会下沉，密度小于床层表面密度的物体会浮在床面上；③床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。

一般的液—固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化。

而一般的气—固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成汽包经床层短路逸出，颗粒则被分成群体做湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。

燃煤循环流化床锅炉靠空气或烟气流化颗粒状物料，属气—固流态化范畴，也即属于聚式流态化。

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)。

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，颗粒是依靠高速流的气流动压被输送的，这种流动状态也称为动压输送。

后两种属于集团流，其中最后一种称为栓流，物料依靠气流的静压输送的。

第四种则动、静压的作用均存在。

3.1.2混合比混合比是指两相流中物料量与空气量的比值，由于它反映了输送量和输送状态的标准，是两相流的重要参数之一。

第12卷第3期 化学反应工程与工艺 V o l.12,N o.3 1996年9月 Chemical Reactio n Engineering a nd Technolog y Sept.,1996专题讲座气固下行流化床反应器Ⅱ气固两相的流动规律 祝京旭 魏　飞(Depar tment of Chemical and Bioch emical Engineering, (清华大学化工系,北京100084) University of W estern Ontario,London,N6A5B9,Canada)摘　要　气固下行流化床反应器气固两相流动过程是比较复杂的,沿轴向气固两相运动可分为第一加速、第二加速和恒速3个运动段,沿径向局部气体速度、颗粒速度和颗粒浓度都具有不同程度的不均匀性。

而这种不均匀性是由气固两相顺重力场湍动运动所决定的。

和循环床提升管相比,下行管反应器气固两相沿径向分布的不均匀性得到有效地改善,气固可以实现超短接触操作,因而是一种新型高效气固超短接触反应器。

关键词:下行管反应器　流动行为　气体　颗粒速度及浓度轴径向分布1　前　言下行管流化床反应器是一种高效气固接触技术,是当代流态化技术研究中最活跃的领域之一[1,2]。

顺重力场下行管反应器可以有效地克服上行提升管逆重力操作造成的催化剂反混以及催化剂颗粒沿径向分布不均等问题[3],同时由于气固两相流速的提高而可以实现超短接触操作,特别适用于气、固相快速加工过程。

下行管流化床反应器气固两相流动是一个相当复杂的过程,无论是在实验研究,还是在理论模型化方面,目前都缺乏深入地探讨。

而下行管流化床反应器气固流动规律的研究对于循环流化床的设计、放大和优化操作极为重要,对于探索流态化机理也有重要意义,已为许多研究者所关注[1,2,4,5]。

这里将已报道的下行管中气固两相流动行为做一归纳总结,并试图给出一些基本规律。

2　重力场流态化的流动分区下行管与提升管的本质差异在于气固并流下行顺重力场与气固并流上行逆重力场。

汽液两相流动的基本概念1. 引言汽液两相流动是指同时存在气体和液体两相的流动现象。

它在工程中具有重要的应用，如化工、石油、能源等领域。

本文将介绍汽液两相流动的基本概念，包括定义、特点、分类以及常见的流动模式等内容。

2. 定义汽液两相流动是指气体和液体同时存在并在一定空间内同时流动的现象。

在这种流动中，气体相和液体相之间存在明显的相互作用力，例如气泡、液滴、涡旋等。

3. 特点汽液两相流动具有以下特点：3.1 多相特性汽液两相流动中同时存在气相和液相，因此它是一种多相流动现象。

在流体动力学和传热学中，对多相流动的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

3.2 相互作用力汽液两相流动中，气体相和液体相之间存在相互作用力，这种力是流动过程中重要的影响因素之一。

例如在气泡形成和液滴破裂过程中，相互作用力的变化会导致流动特性的变化。

3.3 相变现象在汽液两相流动过程中，气体相和液体相之间可能发生相变现象。

相变现象会引起流动特性的变化，如气泡融合会导致流动阻力的增加。

4. 分类汽液两相流动可以根据流动性质、流速、液体表面张力等因素进行分类。

4.1 流动性质分类根据气体和液体相对流动速度的大小，可以将汽液两相流动分为气体连续相和液体连续相两种情况。

当气体相速度远大于液体相速度时，称为气体连续相，反之称为液体连续相。

4.2 流速分类根据流速的大小，可以将汽液两相流动分为亚临界流动和超临界流动两种情况。

亚临界流动是指流速低于气体临界速度的流动，超临界流动是指流速高于气体临界速度的流动。

4.3 表面张力分类根据液体表面张力的大小，可以将汽液两相流动分为低表面张力流动和高表面张力流动两种情况。

低表面张力流动指的是液体表面张力较小的流动，高表面张力流动指的是液体表面张力较大的流动。

5. 常见的流动模式汽液两相流动中常见的流动模式包括气泡流动、液滴流动、涡旋流动等。

5.1 气泡流动气泡流动是指在液体中存在气泡并随流体流动的过程。

流体动力学中的气液两相流动1. 引言在流体力学中，气液两相流动是指同时存在气体和液体的流动现象。

它在众多领域中都有广泛应用，如工业生产、自然环境等。

研究气液两相流动的特性和行为，对于优化流体系统的设计和操作具有重要意义。

本文将介绍流体动力学中的气液两相流动的基本概念、数学模型和实验方法。

2. 气液两相流动的基本概念2.1 混合比混合比是描述气液两相流动中气体和液体相对含量的重要参数。

一般使用体积混合比或质量混合比来表示。

体积混合比定义为气体体积与总体积的比值，而质量混合比定义为气体质量与总质量的比值。

混合比的变化会导致气液两相流动的性质和行为发生明显改变。

2.2 相界面在气液两相流动中，气体和液体之间存在一个明确的相界面。

相界面的位置和形态对于流动行为有重要影响。

根据相界面的性质可以将气液两相流动分为连续相和离散相两类。

2.3 流速分布气液两相流动中，气体和液体的流速分布通常是非均匀的。

由于相界面的存在，气体和液体的流速在空间上存在明显的变化。

研究流速分布对于了解气液两相流动的运动规律和效果具有重要意义。

3. 气液两相流动的数学模型3.1 连续介质模型对于流体力学中的大多数气液两相流动问题，可以采用连续介质模型进行描述。

该模型假设气液两相流动是连续的，可以使用流体动力学方程和质量守恒方程来描述。

3.2 多相流模型对于某些特殊的气液两相流动问题，如气泡流动、雾滴流动等，连续介质模型不再适用。

此时需要采用多相流模型进行描述。

多相流模型考虑了气体和液体相之间的明显界面，可以更准确地描述气液两相流动的特性。

4. 气液两相流动的实验方法4.1 可视化实验可视化实验是研究气液两相流动的常用方法之一。

通过使用高速摄像机等设备，可以观察气液两相流动的实时图像，从而揭示其内在的特性和行为。

4.2 流量测量实验流量测量是研究气液两相流动的另一个重要实验方法。

通过使用流量计等设备，可以准确测量气体和液体的流量，进一步分析气液两相流动的特性和行为。

两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气—液，气—固，液—固等两相流之分。

两相流的研究：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，而把颗粒群作为离散体系；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。

引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。

离散相模型FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；←离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；←应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；←颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic←Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。

通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”多相流模型FLUENT中提供的模型：VOF模型(Volume of Fluid Model)←混合模型(Mixture Model)←←欧拉模型(Eulerian Model)VOF模型(Volume of Fluid Model)← VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面；← VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。