第二章 气固两相流动的流型
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能源研究与信息第24卷 第1期 Energy Research and Information V ol. 24 No. 1 2008收稿日期:2007-11-25作者简介:吴 冕(1983-),男(汉),硕士研究生,wumian0805@ 。
基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(03JC14055),上海市教育委员会资助项目(05EZ15)。
文章编号: 1008-8857(2008)01-0044-05Y 型分支管道气固两相流动流量分配特性研究吴 冕, 胡寿根, 赵 军, 段广彬, 申敬罡(上海理工大学 动力工程学院, 上海 200093)摘 要: 在水平Y 型分支管道中采用压缩空气对平均粒径为2 mm 的小米颗粒进行气力输送试验,对在Y 型管道中流动的气固两相流体的流动状态及流量分配特性进行了研究。
试验结果表明,在发送压力基本保持不变的条件下,当活动支与主管间夹角不变时,分配到活动支侧收料仓B 的固相颗粒质量分数随表观气速的增大而逐渐减小;当活动支与主管间夹角发生改变时,分配到收料仓B 的固相颗粒质量分数随夹角的增大而逐渐减小,且相较于表观气速,活动支与主管间夹角的变化对分配到收料仓B 的固相颗粒质量分数影响较大。
关键词: 气固两相流; 管道输送; 分支管; 流量分配中图分类号: TH232; TK223 文献标识码: A管道气力输送经过多年发展,因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小,管网布置灵活等优点,已成为普遍适用的固相物料输送方法[1]。
目前,管道气力输送领域的研究还较多的集中在单一管道的管内物料输送,而在实际运送过程中,往往要求同一输送系统同时向多个目的地输送物料,所以对于管网分流输送系统的研究具有一定的实际意义。
由于近年来相关领域的数理模型及统一成形理论的研究较为缓慢[2],因此通过试验研究及实际工程实践获得数据并进行分析就成为了较为重要的研究手段[3]。
本试验在总结前人经验的基础上[4~6],设计了Y 型分支管路气固两相流动输送系统试验装置,对固相物料在实际气力输送管网中的流动状态和流量分配特性进行了研究。
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外,一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
❿气体达到能将颗粒悬浮的速度,颗粒彼此之间分离,颗粒在任何方向上运动和转动。
❿与高粘度液体性质相似。
1.1流态化现象ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化➢散式流化d b /dp<1d b ——气泡直径dp——颗粒直径对于L-S系统,流体与粒子的密度相差不大,故umf 一般很小,流速进一步提高时,床层膨胀均匀且波动很小,粒子在床内的分布也比较均匀,故称作散式流化态。
颗粒越细,流体与固体的△ρ值越小,则越接近理想流化,流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质➢聚式流化d b /dp>10对于G-S系统,一般在气速超过Umf后,将会出现气泡,气速越高,气泡造成的扰动也越剧烈,使床层波动频繁,这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时,整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结:固定床:固体粒子处于堆紧状态,颗粒静止不动的床层,叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床:流体和固体颗粒同时进入反应器,他们互相接触,一面进行反应,一面颗粒移动。
流化床:床层颗粒之间脱离接触,颗粒悬浮在流体中,往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大,但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床:固体颗粒脱离接触,但颗粒分布均匀,颗粒间充满流体,无颗粒与流体的聚集状态,此时已具有一些流体性能。
文章编号:1671-3559(2001)04-0296-03收稿日期:2001203202第一作者简介:男,1965年生,副教授,硕士文丘里计测量气-固两相流流量的实验和数值计算刘宗明1, 岳云龙2, 张学旭1, 赵 军1(1.济南大学材料科学与工程学院;2.济南大学科技处,山东济南 250022)摘 要:给出可用文丘里计测量气-固两相流流量的实验和数值计算的结果,发现了进口与喉口以及喉口与扩张段之间的压差灵敏度是确定载荷比和气体流量的主要参数,压降可被守恒变量和源项模型预测,并与实验值相吻合。
文丘里计有可能作为测量气-固混合物任一相流量的一种手段。
关键词:文丘里计;气-固两相流;测量;数值计算中图分类号:TK313 文献标识码:A气-固两相流的测量是两相流研究中的一个重要方面。
但通常的流量测量仪器或装置(如柯利奥里流量计、电子称重仪等)价格昂贵、操作复杂,不利于工程实验研究和应用。
为此,本文中使用文丘里计对气-固两相流流量的测量进行了实验研究,并与数值计算进行了对比,旨在探索一种简便易行、准确可靠的气-固两相流流量测量手段。
1 理论基础根据法贝(Farber )的理论[1],对于一定的气体流速,文丘里计实验段间两相流的压降(或压升)$p 仅与气流的压降$p a 和载荷比m 有关,关系式为$p /$p a =A +Bm(1)式中,A 、B 是由实验确定的常数,它们是用文丘里计测量两相流流量不可缺少的参数。
确定A 、B 是实验的重要工作。
为测两相流流量,假设选取i 和j 在文丘里计的两个实验段。
从两个实验段上测得两个压降(或压升)比$p i /$p i a 和$p j /$p j a ,根据方程(1)则有$p i /$p j =$p i /$p i a #$p j a /$p j #$p i a /$p j a =[(A i +B i m)/(A j +B j m)]#K(2)式中,K 是气体与混合物中的气体具有相同的速度时,单独通过文丘里计的两个实验段的压差比,即K =$p i a /$p j a ,实验表明K =常数。
两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。
若流动系统中物质的相态多于两个,则称为多相流,两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。
通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。
气相和液相可以以连续相形式出现,如气体-液膜系统;也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统,液滴-液体系统。
固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态有多种。
除了同单相流动那样区分为层流和湍流外,还可以依据两相相对含量(常称为相比)、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件(管内、多孔板上、沿壁面等)划分流动形态。
对于管内气液系统,随两相速度的变化,可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态;对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。
流动形态不同,则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。
例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时,正系统混合物(浓度增加时表面张力减低)的板效率(见级效率)高于负系统混合物(浓度增加时表面张力增加);而喷射状态下恰好相反。
两相流研究的另一个基本课题,是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
当分散相液滴或气泡时,有很多特点。
例如液滴和气泡在运动中会变形,在液滴或气泡内出现环流,界面上有波动,表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。
这些都会影响传质通量,进而影响设备的性能。
两相流研究的课题,还有两相流系统的摩擦阻力,系统的振荡和稳定性等。
两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多,描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。
大量理论工作采用的是两类简化模型:①均相模型。
将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物,假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流,但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定;②分相模型。
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外,一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
•气体达到能将颗粒悬浮的速度,颗粒彼此之间分离,颗粒在任何方向上运动和转动。
•与高粘度液体性质相似。
1.1 流态化现象Particlesflow Gas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化 散式流化db /dp<1db ——气泡直径 dp——颗粒直径对于L-S系统,流体与粒子的密度相差不大,故umf 一般很小,流速进一步提高时,床层膨胀均匀且波动很小,粒子在床内的分布也比较均匀,故称作散式流化态。
颗粒越细,流体与固体的△ρ值越小,则越接近理想流化,流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质 聚式流化d b /dp>10对于G-S系统,一般在气速超过Umf后,将会出现气泡,气速越高,气泡造成的扰动也越剧烈,使床层波动频繁,这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时,整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结:固定床:固体粒子处于堆紧状态,颗粒静止不动的床层,叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床:流体和固体颗粒同时进入反应器,他们互相接触,一面进行反应,一面颗粒移动。
流化床:床层颗粒之间脱离接触,颗粒悬浮在流体中,往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大,但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床:固体颗粒脱离接触,但颗粒分布均匀,颗粒间充满流体,无颗粒与流体的聚集状态,此时已具有一些流体性能。
韦俊尤-气固两相流模拟拟研究-(0527最终版本)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。
第2章气固两相流理论分析气固两相流是指同时存在气体和固体颗粒的流动现象。
在很多工程和科学领域中,气固两相流的研究具有重要意义。
本文将对气固两相流的理论分析进行讨论。
首先,我们需要了解气固两相流的基本特征。
在气固两相流中,气体相和固体相之间存在着相互作用力。
这些力可以分为两类:牵引力和阻力。
牵引力是气体对固体颗粒施加的力,使其发生运动。
阻力则是固体颗粒对气体施加的力,使其受到阻碍。
然后,我们可以利用流体力学的基本原理来进行气固两相流的分析。
首先,我们需要根据质量守恒定律来描述气体相和固体相的质量流动。
然后,我们可以利用动量守恒定律来描述气体相和固体相的力学行为。
最后,我们可以利用能量守恒定律来描述气体相和固体相的能量变化。
在进行具体的气固两相流理论分析时,我们需要考虑一些重要参数。
首先是气体相和固体相的体积分数,即气体相和固体相在混合物中的比例。
其次是气体相和固体相的速度分布,即气体相和固体相在流动中的速度分布情况。
另外,我们还需要考虑气体相和固体相之间的相互作用力和阻力,以及颗粒之间的碰撞情况。
在进行气固两相流的理论分析时,我们可以将其分为几个研究方向。
首先是气固两相流的基本理论研究,包括气固两相流的基本方程和重要参数的推导和解析解。
其次是气固两相流的数值模拟研究,包括使用数值方法对气固两相流进行模拟和预测。
最后是气固两相流的实验研究,包括设计实验装置和进行实验观测。
总之,气固两相流的理论分析是一个复杂且重要的研究领域。
通过对气固两相流的理论分析,我们可以深入了解气固两相流的特性和行为,并为相关工程和科学领域的应用提供理论支持。
通过不断深入研究,我们可以进一步完善气固两相流的理论模型和分析方法,以满足实际应用的需求。