颗粒与流体之间的相对运动

第3章非均相物系的分离和固体流态化3．1 概述本章介绍利用流体力学原理(颗粒与流体之间相对运动)实现非均相物系的分离流态化及固体颗粒的气力输送等工业过程。

1．混合物的分类自然界的大多数物质是混合物。

若物系内部各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均相混合物。

由具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。

在非均相物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。

根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型：①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；②液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。

2．非均相混合物的分离方法由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。

要实现这种分离，必须使分散相与连续相之间发生相对运动。

根据两相运动方式的不同，机械分离可按下面两种操作方式进行。

①颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程称为沉降分离。

实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降与离心沉降之分。

②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。

实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。

因此，过滤操作又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。

气态非均相混合物的分离，工业上主要采用重力沉降和离心沉降方法。

在某些场合，根据颗粒的粒径和分离程度要求，也可采用惯性分离器、袋滤器、静电除尘器或湿法除尘设备等，如表3—1所示。

┘此外，还可采用其他措施．预先增大微细粒子的有效尺寸而后加以机械分离。

例如，使含尘或含雾气体与过饱和蒸汽接触，发生以粒子为核心的冷凝；又如，将气体引入超声场内，使细粒碰撞并凝聚。

这样，可使微细颗粒附聚成较大颗粒，然后在旋风分离器中除去。

第3章流体与颗粒之间的相对运动一、选择题1．要除去气体中含有的5μ～50μ的粒子。

除尘效率小于75%，宜选用（）。

[中南大学2009研]A．除尘气道B．旋风分离器C．离心机D．电除尘器【答案】B 2．恒压过滤时，恒压过滤方程式表明滤液体积与过滤时间的关系是（）。

[中南大学2009研]A．直线关系B．椭圆关系C．抛物线关系D．双曲线关系【答案】C【解析】由222e V VV kA θ+=可知呈抛物线。

3．恒压过滤过程中，如果粘度降低20%，过滤介质阻力忽略不计，则在同一时刻滤液增加（）。

[西北大学2009研]A．10%B．20%C．11.8%D．0【答案】C 【解析】由221,k V KA θμ∝=可以得出22''5,' 1.118'4V K V V K V μμ====。

4．降尘室没有以下优点（）。

[浙江工业大学2005研]A．分离效率高B．阻力小C．结构简单D．易于操作【答案】A 【解析】降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于预除尘。

5．一定流量的液体在一ф33.5×3.25mm 的直管内作湍流流动，其对流传热系数1000W/m 2·℃。

如流量与物性都不变，改用一ф19×2mm 的直管，则其α值将变为（）W/m 2·℃。

[南京工业大学2008研]A．1120B．1600C．288D．889【答案】C 【解析】0.40.8C μλρα0.023μλp ud =d ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，所以0.80.2αu d ∝ 1.8d -∝。

6．在重力场中发生的沉降过程，（）不是沉降速度的影响因素。

[中国石油大学（华东）2007研]A．流体的流速B．颗料的几何形状C．颗料的大小D．流体物理性质【答案】A 【解析】由公式()43s t gd u ρρξρ-=BCD 项有关，与流体流速无关。

7．当介质阻力不能忽略时，恒压过滤所得滤液体积加倍时（）。

流体动力学中的颗粒-粒子流动导言流体动力学是研究流体力学和动力学性质的科学分支。

在流体动力学中，颗粒-粒子流动则是一个重要的研究方向。

颗粒-粒子流动是指在流体中存在着一些离散的颗粒或粒子，在流体的作用下发生运动和相互作用的现象。

颗粒-粒子流动广泛应用于颗粒物料输送、颗粒物料分散、颗粒物料混合等领域。

颗粒-粒子流动的基本概念在流体动力学中，颗粒-粒子流动指的是由流体中的颗粒或粒子组成的流动体系。

颗粒-粒子流动体系不仅包括了流体的流动特性，还包括颗粒或粒子的运动和相互作用。

在颗粒-粒子流动体系中，流体与颗粒或粒子之间存在着复杂的相互作用力，如颗粒-粒子之间的接触力、流体对颗粒或粒子的拖曳力等。

颗粒-粒子流动体系的运动和相互作用规律受到多个因素的影响，包括颗粒或粒子的物理性质、流体的性质以及流动条件等。

颗粒-粒子流动体系的运动可以分为两个方面，一是颗粒或粒子相对于流体的运动，二是颗粒或粒子间的相互作用。

颗粒-粒子流动体系的相互作用力包括接触力、摩擦力、颗粒或粒子对流体的扰动力等。

颗粒-粒子流动的研究方法研究颗粒-粒子流动的方法有多种，包括实验方法、数值模拟方法和理论分析方法等。

实验方法是最直接的研究颗粒-粒子流动行为的方法，通过设计合适的实验装置和测量手段，可以获得颗粒-粒子流动的实际情况。

数值模拟方法则通过建立颗粒-粒子流动的数学模型，利用计算机进行数值求解，得到流体和颗粒或粒子的运动和相互作用的信息。

理论分析方法则是从理论角度出发，通过对颗粒-粒子流动体系的基本方程进行推导和分析，来揭示颗粒-粒子流动的规律和特性。

在实验方法中，常用的手段包括粒子追踪技术、颗粒图像测速技术等。

粒子追踪技术通过跟踪颗粒或粒子的运动轨迹来获得颗粒-粒子流动的信息。

颗粒图像测速技术则是利用高速相机对流体中的颗粒或粒子进行拍摄，然后根据图像处理技术来获得颗粒-粒子流动的速度和位置信息。

数值模拟方法是研究颗粒-粒子流动的重要手段之一，可以对流体动力学和颗粒或粒子运动进行数值计算，揭示流体和颗粒或粒子的运动规律。

★面向21世纪课程教材★化工流体流动与传热教学大纲天津大学化工学院化工系2003年4月《化工流体流动与传热》课程教学大纲64 学时4 学分一、课程性质、目的和任务本课程及其后续课程《化工传质与分离过程》，是为培养面向21世纪高等化工创新人才的需要而建立的新课程体系中的主干课程。

本课程将传统的《化工原理》与《化工传递过程基础》有机地融为一体，依据传递过程的理论体系和单元操作的共性组合而成。

本课程属于化工类及其相近专业的一门主干课，为学生在具备了必要的高等数学、物理、物理化学、计算技术等基础知识之后必修的技术基础课。

本课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，是化工类及其相近专业许多专业课程的重要基础课程，本课程教学水平的高低，对化工类及相近专业学生的业务素质和工程能力的培养起着至关重要的作用。

本课程属工科科学，用自然科学的原理（主要为动量、热量传递理论）考察、解释和处理化学工程中的实际问题，研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究。

本课程强调工程观点、定量运算和设计能力的训练；强调理论与实际相结合；强调提高分析问题、解决问题的能力和综合能力。

学生通过本课程学习，应能够运用动量和热量传递的基本理论，解决流体流动、流体输送、沉降分离、过滤分离、液体搅拌、过程传热、蒸发等单元操作过程的计算及设备选择等问题，并为后续专业课程的学习奠定基础。

二、教学基本要求本课程在第五学期(四年制)开设。

教材内容分为课堂讲授、学生自学和学生选读三部分，其中课堂讲授部分由教师在教学计划学时内进行课堂教学，作为基本要求内容；学生自学部分由学生在教师的指导下，利用课外时间进行自学，作为一般要求内容；学生选读部分由学生根据自己的兴趣及能力，进行课外选读，不作要求。

本课程教学计划总学时64学时（其中课堂讲授62学时，机动2学时）；学生自学12学时；课程设计1周。

本课程采用课后习题，每次课后留2～3个练习题，由学生独立完成，教师可根据情况布置综合练习题和安排习题讨论课。

流体动力学中的颗粒-流体相互作用引言流体动力学是研究流体运动和力学性质的科学领域。

它在许多工程和科学领域中都有广泛的应用，涉及的问题包括飞机在空气中的飞行、船只在水中的航行、气候变化中的大气运动等等。

在流体动力学中，颗粒-流体相互作用是一个重要的研究方向。

本文将对流体动力学中的颗粒-流体相互作用进行详细介绍。

流体动力学概述流体动力学研究的是流体的运动和力学性质。

流体可以分为液体和气体两大类，它们在外力作用下可以流动，并且没有固定的形状。

流体动力学主要涉及流体的流动性质、动量传递、能量传递等方面的问题。

在流体动力学中，颗粒-流体相互作用是指在流体中存在的微小颗粒与流体之间的相互作用。

这些颗粒可以是悬浮在流体中的固体颗粒，也可以是液滴或气泡等。

颗粒-流体相互作用对流体的流动行为和力学特性有着重要的影响。

颗粒-流体相互作用的力学性质颗粒-流体相互作用的力学性质主要包括颗粒在流体中的运动行为、力学受力和力学响应等方面。

颗粒的运动行为颗粒在流体中的运动行为主要包括颗粒的输运、沉积和聚集等。

颗粒的输运是指颗粒在流体中由于流速和流场的影响而发生的迁移和分散。

颗粒的沉积是指颗粒在流体中因重力作用而沉积到底部或液面上的现象。

颗粒的聚集是指颗粒在流体中因静电作用、分子吸附等因素而发生的聚集和聚集。

颗粒的力学受力颗粒在流体中的力学受力主要包括颗粒的浮力、阻力和静电力等。

颗粒在流体中受到的浮力是由于颗粒在流体中的体积受到流体的排斥而产生的向上的力。

颗粒在流体中受到的阻力是由于颗粒与流体之间的相互作用而产生的阻碍颗粒运动的力。

颗粒在流体中受到的静电力是由于颗粒和流体之间的电荷分布不均匀而产生的相互作用力。

颗粒的力学响应颗粒在流体中的力学响应主要包括颗粒的位移、速度和加速度等。

颗粒的位移是指颗粒在流体中位置的变化。

颗粒的速度是指颗粒在流体中的运动速度。

颗粒的加速度是指颗粒在流体中的运动加速度。

颗粒-流体相互作用的数学模型颗粒-流体相互作用的数学描述颗粒-流体相互作用可以通过数学模型进行描述。

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θμτθsin 234⎪⎭⎫ ⎝⎛=r R R u r θμρcos 2320⎪⎭⎫⎝⎛--=r R R u gz p p 3sin 2s r r Ru Rθμττθ==-=-τr θ在z 轴的分量为()222200d sin sin d 3d sin sin sin d 42r r RF Ru R RuR ππτθππφθτθθμφθθθθπμ==--⎛⎫=⋅= ⎪⎝⎭⎛⎛⎜⎜⎠⎠⎰⎰——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()θτπθτθθsin 2/cos r r =+zθd φd θθθ()2222003d cos sin d 3d cos cos sin cos d 2423nr RF pRu p gR R R R g Ru ππππφθθθμφρθθθθθπρπμ==-⋅⎛⎫=--- ⎪⎝⎭=+⎛⎛⎜⎜⎠⎠⎰⎰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 RuF 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μρu d Re p p =颗粒雷诺数颗粒表面的总曳力Fd(1)Rep <2，层流区(斯托克斯定律区)22uACFpDdρ=24DpCRe=6.05.18pDReC=0.44DC≈(2)2<Rep<500，过渡区(阿仑定律区)(3)500<Rep<2×105，湍流区(牛顿定律区)(4)Rep>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，CD≈0.1。

第4章颗粒与流体之间的相对流动1 基本概念（1）均相混合物(物系)：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的物系。

（2）非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同的物系。

（3）分散质(分散相)：非均相混合物中，处于分散状态的物质；（4）分散介质（连续相）：包围着分散质而处于连续状态的物质。

对于乳浊液，一般混合的两液体中体积分率大的为连续相。

非均相混合物的分离一般用机械分离方法。

分离的依据：密度不同（沉降），或筛分原理（过滤）。

（5） 颗粒的球形度φS体积相同时球形颗粒的表面积与实际颗粒的表面积之比。

相同V PS S S )(=φ 0<φs ≤1。

（6）颗粒床层的空隙率ε床层中空隙的体积与床层总体积之比。

ε=床层空隙体积/床层总体积=（床层体积-颗粒所占体积）/床层总体积2 颗粒在流体中的沉降2．1 颗粒的重力沉降2．1．1 重力沉降速度在重力场中发生的沉降过程。

密度为ρp ，表面光滑的球形颗粒在密度为ρ（设ρp >ρ）的流体中发生自由沉降，受力情况如下：（1） 场力F g ↓g d g V F P PP P g ρπρ63==（2）浮力F b ↑g d g V F P P b ρπρ63==（3）阻力F D ↑2)4(2222u d u A F P P D ρπξρξ==式中：A P -颗粒在流体流动方向上的投影面积，m 2 ；ρ为流体密度，kg/m 3；ξ为曳力系数(或阻力系数)；u 为颗粒与流体的相对运动速度，m/s 。

实验证明，ξ是雷诺数的函数，即：ξ=f(Re P )μρu d P P =Re式中d P 为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），μ、ρ为流体的物性。

ξ－Re P 间的关系，经实验测定如图4-6所示，图中φs ≠1的曲线为非球形颗粒的情况。

在不同雷诺数范围内可用公式表示如下：（1）滞流区（Re P ≤1）ξ=24/Re P（2）过渡区（1<Re P ≤500）ξ=18.5/Re P 0.6（3）湍流区（500<Re P <2×105）ξ=0.44由牛顿第二定律，有：ma F F F D b g =--或τρπρπξρρπd du d ud g d P P P P P624)(63223=-- （1） 颗粒沉降的两阶段：①加速阶段：从τ=0→τt ，a=a max →0，u=0→u max （u t ）； ②等（匀）速阶段：当τ≥τt ，a=0，u=u t 。

3-1颗粒及颗粒床层的特性知识点3-1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本⾝的特性密切相关，因⽽⾸先介绍颗粒的特性。

⼀. 单⼀颗粒的特性1.学习⽬的通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体流速床层压降的计算⽅法。

2．本知识点的重点球形颗粒和⾮球形颗粒的⼤⼩和特性参数的计算，特别是⾮球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。

颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。

床层孔隙率、⽐表⾯积及压降的计算。

3．本知识点的难点本知识点⽆难点。

4．应完成的习题4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所⽤筛号及筛孔尺⼨见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛⾯上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。

[答：d a=0.345㎜]习题4-1附表4－2．在截⾯积为1m 2的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm 及5mm 的球形颗粒各0.5m ⾼，20℃的空⽓从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s 。

假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的⽅格，每⼀⽅格放置⼀个球粒，试计算:(1)两段床层的空隙率ε和⽐表⾯积a b ；(2)空⽓流经整个床层的压降 ,Pa 。

[答：(1)ε=0.4764；a b 细=6283m 2/m 3；a b 粗=628.3m 2/m 3；=452.9+9.1=462Pa]颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本⾝的特性密切相关，因⽽⾸先介绍颗粒的特性。

⼀．单⼀颗粒的特性表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、⼤⼩（体积）及表⾯积。

（⼀）球形颗粒不⾔⽽喻，球形颗粒的形状为球形，其尺⼨由直径d 来确定，其它有关参数均可表⽰为直径d 的函数，诸如体积（3-1）表⾯积（3-2）⽐表⾯积（单位颗粒体积具有的表⾯积）（3-3）式中d――球形颗粒的直径，m；S――球形颗粒的表⾯积，m2；V――球形颗粒的体积，m3；a――颗粒的⽐表⾯积，m2/m3。

（⼆）⾮球形颗粒⾮球形颗粒必须有两个参数才能确定其特性，即球形度和当量直径。