第四章颗粒与流体之间的相对运动

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。

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。

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。

学习资料食品工程原理复习第一章 流体力学基础1. 单元操作与三传理论的观点及关系。

不一样食品的生产过程应用各样物理加工过程，依据他们的操作原理，能够归纳为数个应用宽泛的基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热互换、制冷、蒸发、结晶、汲取、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥 等。

这些基本的物理过程称为 单元操作动量传达：流体流动时，其内部发生动量传达，故流体流动过程也称为动量传达过程。

凡是按照流体流动基本规律的单元操作，均可用动量传达的理论去研究。

热量传达 : 物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。

凡是按照传热基本规律的单元操作， 均可用热量传达的理论去研究。

质量传达 : 两相间物质的传达过程即为质量传达。

凡是按照传质基本规律的单元操作，均可用质量传达的理论去研究。

单元操作与三传的关系“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的详细应用。

同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础2. 粘度的观点及牛顿内摩擦 ( 粘性) 定律。

牛顿黏性定律的数学表 达式是 ，服此后定律的流体称为牛顿流体。

μ比率系数，其值随流体的不一样而异，流体的黏性愈大，其值愈大。

所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度3. 理想流体的观点及意义。

理想流体的粘度为零，不存在内摩擦力。

理想流体的假定，为工du d y4.热力系统：指某一由四周界限所限制的空间内的全部物质。

边仅供学习与参照界能够是真切的，也能够是虚构的。

界限所限制空间的外面称为外界。

5.稳固流动：各截面上流体的有关参数（如流速、物性、压强）仅随地点而变化，不随时间而变。

e1 PV11gZ1u12q w e2PV22gZ2u22 226．流体在两截面间的管道内流动时,其流动方向是从总能量大的截面流向总能量小的截面。

7.1kg 理想流体在管道内作稳固流动而又没有外功加入时，其柏努利方程式的物理意义是其总机械能守恒，不一样形式的机械能能够互相变换。

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 。