固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，固液两相流和颗粒流在许多工业领域中被越来越多地使用，是一种重要的热物理现象。

本文从固液两相流和颗粒流的运动理论及实验研究的角度出发，首先对固液两相流的本质概念进行简要总结，然后梳理固液两相流的运动规律，从宏观到微观，探究多种流体的运动机制，并讨论颗粒流的运动特性。

固液两相流是指存在两个可独立存在的,具有不同性质的相组成的流体,在对流量和力学环境下运动的一种物理现象。

从动力学角度来看，固液两相流被分为固体和液体两个不同的部分，它们分别受到不同的重力和粘性力的作用，具有不同的驱动力，形成的运动状态也不同。

例如，在重力下，具有质量和形状不同的固体颗粒会因为重力、粘性和空气阻力等因素而产生不同的运动轨迹。

此外，受重力作用，液体中悬浮的颗粒或气泡也会发生运动。

宏观角度观察固液两电流，可以把其分为湍流和非湍流两种状态。

从湍流出发，可以得到熵递减原理，颗粒在运动过程中，湍流驱动力会使其运动轨迹发生变化；从非湍流出发，推导出固液两相流的克服斯特林运动方程，运动状态受到温度、粘度和速度的影响。

在此基础上，可以建立宏观的固液两相流与颗粒流的运动模型，形成作用域，提出关于粒子流动的约束条件。

微观角度来观察固液两相流和颗粒流，主要是考察颗粒的表面活性和分布以及流体粘性和密度等因素对固液两相流运动的影响。

比如，液体介质中流动的固体颗粒表面活性会使整个流体受到表面力的作用，这会改变流体的结构，形成新的液体流动模式。

此外，液体中的颗粒的分布特性也影响着其流动状态，研究表明，颗粒的粒度和粒径等因素会影响到它们的悬浮状态、运动路径以及湍流性能。

最后，流体粘性影响着液体中固体颗粒的运动，当粘度系数增大时，颗粒会运动受阻，粒径较小的颗粒会遇到更大的阻力，使得它们的流动路径发生变化。

基于对固液两相流及颗粒流运动的理解，研究者利用实验室条件对其进行了大量的测试和实验研究，探究固液两相流的流动特性、粘度、湍流性能以及颗粒的分布、动力学性质等。

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究随着流体力学与工程技术的发展，固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究也受到了广泛关注。

本研究旨在通过研究固液两相流与颗粒流的运动规律，以及该运动规律在工程应用中的应用，为深入理解固液两相流与颗粒流的运动机理提供理论支持。

一、固液两相流的运动机理固液两相流是由两种或多种相（固相和液相）组成的复杂流体系统，例如水和悬浮颗粒等。

固液两相流的运动机理主要受制于固相和液相的物理和化学性质，其运动行为受到流体流动、物理和化学作用的影响。

因此，在尺度上的运动规律拥有较大的变化，而且与尺度有关。

在宏观尺度上，固液两相流的运动机理主要受流体流动作用的影响，它的运动受到流体的静力、动力学和热力学三个层次的影响。

它由流体的压力梯度、粘度分布和外力作用所决定，同时受到流体温度与湿度等气象条件的影响。

在微观尺度上，固液两相流的运动受到物理和化学作用的影响，其物理作用主要有流体的内部变形、内部磨擦、液-固相间的表面张力以及液-固相间的多种相互作用等；其化学作用主要有液-固相间的溶质运移、化学反应等物理-化学过程。

二、颗粒流的运动机理颗粒流是由种类多样的颗粒组成的流体，这些颗粒的大小形状不同。

颗粒流的运动机理也是复杂的，受制于流体流动、物理和化学作用等多种因素的影响。

颗粒流的运动机理以流体流动为基础，由颗粒间的碰撞和相互作用以及颗粒与流体的相互作用的复合作用决定。

颗粒流的运动主要受到流体的压力分布、粘度分布、内部流速分布以及外力和激励力的影响。

颗粒流微观运动机理主要受到流体内部变形作用、颗粒间碰撞作用、颗粒间表面张力作用及溶质运移作用等多种物理和化学作用的影响，同时还受到气象条件的影响。

三、固液两相流与颗粒流的工程应用固液两相流与颗粒流的工程应用在实际工程中广泛存在，被广泛应用于冶金、陶瓷、石油、医药、化工、环境等行业的技术中。

固液两相流在化工工业中的应用十分广泛，常见的有气体-液体混合物的解离技术，比如油水分离；在陶瓷工业中，利用固液两相流技术可以研制出优质、高性能的陶瓷材料；在冶金工业中，固液两相流技术可以有效地把铁与煤粉混合物分离，从而获得高品位的铁粉；在石油工业中，固液两相流技术可以用来净化石油中的杂质；在环境保护中，固液两相流技术可以有效地去除水中的有害物质等。

图5 静空压联合式系统简图图4 空气压入式系统简图响,系统操作简单,部分操作参数不可改变,必须选择合适的入料泵,才可达到生产指标。

412 空压入料式系统简图如图4所示。

该系统为恒压过滤,速度快,可依据不同的煤泥选择不同的参数,自流入料,泵的选型不影响过滤效果。

过滤效果和生产能力与空气的压力有关。

413 静空压联合入料采用泵及压缩空气联合入料,既避免了泵的气蚀,又减小了入料罐的体积,充分发挥泵及气源各自的优势。

系统简图如图5。

5 结束语本文对精煤压滤的操作进行分析研究,导出了优化方程,可以准确地选择压滤机并确定最佳操作参数,各工艺系统的选用,应视煤质性质、工艺特点、精煤用途、储运方式及要求,合理选用不同的配置系统,提高经济效益,完善煤泥水系统。

根据压滤机所承受的最高压力,用最大的生产力公式求出所需的最小过滤面积,作为确定过滤面积的依据,当过滤面积一定时,人们总是希望在较低压力下操作,以降低操作费用和设备费用。

但操作压力与操作周期有关,只有在最佳操作周期下才能使操作压力最低。

固液两相二次流现象及其研究*湛含辉,张晓琪,戴财胜,张晶晶(株洲工学院环保所,湖南株洲 412008)摘要 对二次流的研究有助于我们认识和解决许多自然界及工程问题。

二次流存在于一切粘性流体作曲线运动中,通过试验室最基本的二次流研究发现:二次流场以旋转面存在于圆形底部,并且对颗粒有/搬移0到中心的作用,此作用力不同于离心力,但也可用相近的函数关系表示。

关键词 二次流 流线图 /搬移0力中图分类号:O376 文献标识码:A1 二次流现象在大自然和人们生产生活中,流体流动现象无处不在,小到溪水河流、管道流体,大到/龙卷风0、泥石流。

它们归纳于重力场、离心力场或机械能等转换作用。

在这些流体运动过程中,我们能*湖南省自然科学基金,编号01JJY3015。

收稿日期:2002-04-15第1作者简介:湛含辉 男,1961出生,现任株洲工学院环保所所长,博士后,主要从事环保领域的研究。

固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响孟晓刚1,2，倪晋仁1,2(1.北京大学环境工程系；2.水沙科学教育部重点实验室）摘要：在不同颗粒浓度条件下，通过考虑颗粒之间的相互作用，对固液两相流中的颗粒受力进行了分析。

采用拉格朗日方法对颗粒在一维两相流中垂向运动过程进行了模拟。

根据两相流中颗粒分选达到准稳定状态时的分选特征，探讨了作用于颗粒的各种力对颗粒运动和分选结构的影响。

推导出颗粒受力与颗粒分选机理之间的关系。

关键词：固液两相流；颗粒；垂向分选；受力作者简介：孟晓刚(1976-)，男，山西文水人，研究生，主要研究方向：固液两相流理论。

颗粒受力分析是固液两相流中固体颗粒运动研究的核心问题[1]。

Stokes （1851）曾对单个圆球、圆柱体和无限长平板在粘性流体中的简谐直线运动进行了较为详尽的研究，给出了反映流体对物体作用的数学表达式。

此后，Basset （1888）、Boussineaq（1885）、Oseen（1927）等研究了粘性流体中做加速运动的单个圆球的直线运动，指出作用在圆球上的力不仅取决于它的瞬时速度和加速度，而且与圆球做加速运动的历史有关，从而得到了著名的B.B.O.方程。

Tchen[2]进一步改进了B.B.O.方程，考察了不稳定紊流场中悬浮颗粒的运动，并给出了描述细颗粒运动的基本方程。

当流体中有多个颗粒存在时，颗粒的受力情况与单颗粒会有所不同。

任意一个颗粒的运动都可能受到其它颗粒的影响，颗粒之间作用的主要形式有接触、位置交换和颗粒之间的碰撞。

同时，大量颗粒的存在会影响液相的流动特性，后者的变化又会反过来影响颗粒的运动。

因此，对于多颗粒存在的情形，需要对B.B.O.方程进行修正以便能够考虑颗粒之间的作用。

黄社华等[3]在忽略粒间碰撞作用的前提下，在不同流动条件下对各作用力修上，得到了任意流场中稀疏颗粒运动方程的一般形式，并对方程进行了理论解析，探讨了颗粒物理性质对其运动规律的影响。

多相流理论--------两相流中颗粒运动的描述方法早在19世纪就有关于明渠水流中颗粒沉降和输运的两相流动研究，但是两相流的系统研究是从本世纪40年代才开始的。

60年代以后，越来越多的学者开始对关于描述两相流动规律进行了探讨，出现了很多关于讨论其基本方程的文献及专著。

研究两相流有两类基本不同的观点:一类是把流体作为连续介质而把颗粒作为离散体系，探讨颗粒动力学、颗粒轨迹等,另一类是除把流体作为连续介质外，还把颗粒群作为拟流体或拟连续介质。

依据这种观点分类，研究颗粒运动的模型一般有单颗粒动力学模型、颗粒轨迹模型(或Eulerian一Lagrangian混合模型)和颗粒拟流体模型(或称为多流体模型)。

若按照系统坐标特性进行分类，则有Lagrangian描述方法，Eulerian一Lagrangian描述方法和Eulerian描述方法。

1 : Lagrangian描述方法;当流场中任何一个颗粒不受相邻颗粒存在的影响以及流场扰动的影响，则可采用单颗粒动力学研究方法确定颗粒运动规律。

具体来说，首先对流场中单颗粒进行受力分析，然后根据颗粒相力平衡方程建立颗粒Lagrangian模型，探讨颗粒动力学特性和颗粒轨迹等问题。

这种Lagrangian描述方法的典型代表是单颗粒动力学模型。

该模型的适用条件是稀疏两相流，颗粒相体积浓度小于0.1%，或颗粒平均间距大于5d (d为颗粒直径),在给定了流场中流体的流动参数后，使用Runge 一Kutta积分求解Lagrangian颗粒运动方程，得出颗粒的速度分布和运动轨迹。

2 : Eulerian一Lagrangian描述方法这种描述方法的实质是在Lagrangian坐标系中利用Lagrangian颗粒运动方程处理颗粒问题，可以避免颗粒相出现伪扩散问题,而在Eulerian坐标系中处理流体相问题。

但是，根据是否考虑颗粒的紊动扩散效应Eulerian-Lagrangian描述方法又可分为以下两种类型。

粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究毛旭锋,夏建新,马彦芳(中央民族大学生命与环境科学学院,北京 100081)摘 要: 本文利用剪切室研究了粘性颗粒剪切条件下的流动和分选情况,并针对实验现象和结果展开分析和讨论.实验结果表明,相比干颗粒而言,粘性颗粒相互黏结得更紧密,颗粒的流动性减弱,颗粒在流动过程中的浓度分布、应力状况以及分选均会受颗粒流动性减弱的影响.关键词: 粘性;颗粒流;垂向分选中图分类号:O469 文献标识码:A 文章编号:1005 8036(2007)02 0126 07收稿日期:2007 02 10作者简介:毛旭锋(1981-),男(汉族),江西人,中央民族大学生命与环境科学学院硕士研究生,主要研究方向为水沙环境迁移转变及治理. 颗粒分选伴随着颗粒流动过程,广泛存在于自然和工业过程中[1],近些年已成为国内外学者研究的热点.但是,之前的研究大多数都集中在无粘颗粒系统上[2~5],针对粘性颗粒系统的研究相对较少.事实上,泥石流、滑坡、河流底部泥沙推移等自然现象以及制药、食品和化工等工业过程都与粘性颗粒系统的流动分选过程联系紧密.出于工程应用的需要,对粘性颗粒系统的流动分选方面的研究逐渐开展起来.Tegzes 等以及Halsey &Levine 的研究结果表明,颗粒间流体会明显增大颗粒的休止角.同时,颗粒间液体还能改变颗粒的渗流速度,在一定湿度条件下,颗粒倾向于以成簇的形式而不是单个颗粒形式流动,这也局限了颗粒的流动性.对此,Ste ven 等人[6~8]较早地采用数值模拟和实验等方法开展了粘性颗粒系统的研究,对粘性颗粒系统的流动特性做了大量研究,取得了一定的成果.最近,Wen Lungyang 和Shu SanHsiau [9]采用实验方法研究了湿颗粒系统流动过程中的速度分布以及应力状况,在大量实测数据的基础上分析了颗粒的流动特征.Hongming 和McCarthy [10]实验研究了粘性颗粒的混合与分选问题,并结合理论分析,预测了粘性颗粒混合与分选的趋势,获得了比较一致的结果.尽管如此,针对粘性颗粒系统的流动分选的研究十分缺乏,分选机制至今仍不清楚.在国内,相关内容的研究甚至尚未开展.考虑到粘性颗粒系统流动和分选的复杂性,实验研究仍然是目前最有效的研究方法,本文利用剪切室实验系统,研究了粘性颗粒系统流动分选的过程,在分析颗粒流速、应力状态分布、分选时间和程度的基础上,探讨粘性颗粒流动分选的机理,填补了我国在该领域研究的空白.1 粘性颗粒系统一般来说,粘性颗粒系统可以分为伪静态系统和剪切系统.如果颗粒流动过程中颗粒自身的重力大于其他由于流动而产生的力(如剪切力或拖拽力等)时,可称,此时的颗粒系统为伪静态系统;而当颗粒自身重力小于或接近由于流动而产生的力(如剪切力或拖拽力等)时,可称此时的颗粒系统为剪切系统.判断一个颗粒系统内部应力,有一个很重要的指标,即颗粒黏合数Bo g (granular bond number),它是最大毛细力F c 和颗粒重量W 的比值,2007年5月第16卷 第2期中央民族大学学报(自然科学版)Journal of the CUN(Natural Sciences Edition)M ay,2007Vol.16 No.2Bo g =F c W =2 R 43R 3 p g =3 2R 2 p g (1) R 是颗粒半径, 是流体的表面张力(水的为7.34 10-2N m), p 是颗粒密度.当Bo g 1时,颗粒的粘性作用明显,颗粒系统以粘性力为主;当Bo g 1时,则颗粒系统的粘性作用可以忽略;而当Bo g 接近于1时,则此时颗粒系统的粘性力虽不可忽略,但不一定占主导地位.此时,可引入另一个指标碰撞数Co (collision number),用来衡量颗粒间碰撞力的大小,它是颗粒最大毛细力与碰撞力的比值Co =F c F b g =2 R p R 4 2(d u d y )2(2) 2与颗粒堆积密度相关的参数,d u d y 是剪切率.(1)若F B g W g <F c ,则Co Bo g >1,此时颗粒系统为粘性颗粒系统,碰撞应力可忽略不计.(2)若W g <F B g <F c ,则Bo g >Co >1,此时颗粒间的碰撞应力开始起作用,但此时颗粒系统仍然以粘性力为主.(3)F B g W g <F c ,则Co Bo g >1,此时颗粒系统的黏滞力和碰撞应力同等重要.(4)若F B g >W g >F c ,则Co <1、Bo g <1,此时颗粒系统以碰撞应力为主.但是,以上衡量指标均是针对均匀颗粒系统,对于本次实验的非均匀的两相颗粒系统来说,需要对公式中参数做适当修改,可采用Hongming 和McCarthy [10]的修正方法,Bo g =F c W =2 R e (cos )min 43(R 3 p )eff =3 R e (cos )min 2g (R 3 p )eff (3)Co =F c F b g =2 R e (cos )min ( p R 4)e 2(d u d y )2(4) 是颗粒润湿角,不同的湿润特征可用最大 (或最小cos )表示,(R 3 p )eff 是两中颗粒中小颗粒的质量.R e 是颗粒的几何平均半径,其表达式为,R e =2R 1R 2 (R 1-R 2)(5)1 三相电机;2 变频调速器;3 联轴器;4 外筒;5 内筒;6 剪切环;7 支架;8 底座图1 剪切室实验系统示意图Fig.1 A schematic of the experimental shear cell device 2 实验系统和方法图1是剪切室实验系统结构示意图.两个半径分别为140m m 和100mm 同心圆筒被固定在铁架上,两筒间的区域构成颗粒的环形流道.1100g 颗粒放在环形流道中(大颗粒在下,小颗粒在上),起始堆积高度约25mm.颗粒顶端盖有一个弹性剪切环,它通过联轴器与一台电机相联,转速可通过变频调速器调节,最大可达21rad s.剪切环可在垂直方向上下移动,以最大程度保证颗粒受剪切运动过程中具有稳定的压力边界.剪切环底部还贴有一层橡胶,增大对颗粒的剪切力.同心圆筒均有透明的有机玻璃材料制作,实验时可以方便地从外部观察颗粒流动与分选的情况.实验选用两组不同颜色的玻璃球,平均粒径分别为3mm(A 颗粒)和2mm(B 颗粒).玻璃球密度均为2 48g cm 3,弹性恢复系数为0 8.为研究粘性颗粒的流动分选情况,实验中将颗粒用水均匀润湿,按颗粒湿润程度不同分三组进行.颗粒的润湿程度越高,颗粒的粘性越大,颗粒的湿润程127第2期毛旭锋等:粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究度采用液体水的无量纲体积V *表示,V *=V l V l +V p(6)V l 是液体体积,V p 是颗粒体积.表1是实验的具体分组情况.表1 实验分组情况Tab.1 Three groups in the experi ment组别M A (g)M B (g)V *休止角 ( )堆积厚度(mm)19002000 0026 2529002000 0334 2539002000 0437 25实验中,测量颗粒的水平流速分布、完全分选时间和浓度分布等情况,并根据实验数据对实验结果进行分析.首先,进行干颗粒流动分选实验,然后,采用同样方法实验两组湿颗粒流动分选的情况,最后,将三组实验结果对比分析,探讨粘性颗粒的流动分选机制.3 实验结果与讨论3 1 粘性颗粒的速度分布实验开始前.沿筒径向安放了不同颜色的染色颗粒,实验结束后发现,颗粒在径向上未发生明显位移,可以将颗粒在径向的速度近似为零.因此,本次实验只考虑颗粒在水平方向的速度.颗粒在剪切环的剪切作用下,颗粒在环形流道内循环流动,通过记录颗粒运动水平距离所花费的时间,可计算出颗粒的水平速度.颗粒初始的堆积厚度为25mm,实验选取了25mm 、20mm 、15mm 、10mm 、5mm 和0mm 六个测量点测量不同高度处颗粒的水平流速,当小颗粒下落到相应高度时,则测量该高度层颗粒的水平流速.图2中(a)和(b)是颗粒的水平速度分布.三组实验中颗粒的总体积和体积分数均相同,不同的是颗粒的湿润程度,V *=0 003和0 004.从图中可以观察到,颗粒的水平速度随着高度增加而增加,剪切率(du dy )也随高度增加而增加,这是因为越上层颗粒受到的剪切力越大.实验过程中还发现,颗粒剪切率越高的地方,颗粒的水平流速大,而且颗粒的脉动速度也大,这与颗粒间的应力分布有关.图2 颗粒流速的垂向分布Fi g.2 Vertical dis tribution of the particle vel ocity同时,随着颗粒湿度的增大,颗粒的流动性减弱,颗粒的水平速度和速度梯度均呈现减小的趋势.以图(a)为例,当 =8rad s 时,流道底部干颗粒的流速为2 6mm s;当V *=0 003时,流速减小为1 2mm s;而当V *=0 003时,颗粒流速更是减小到1mm s.产生以上现象是因为湿度越大的颗粒黏滞力越大,颗粒间以及颗粒与同心圆筒间的摩擦力越大,导致大量的流动能量耗散.在能量输入一定的情况,粘性越大的颗粒消耗的能量越多,用来维持颗粒流动的能量也就越少,进而导致颗粒流动速度的减小.3 2 粘性颗粒的应力分布状况相同条件下,粘性程度不同颗粒系统的流动状态不同,其内部的应力状况也不相同.了解颗粒系统流动时的内部应力状况,对分析颗粒的流动和分选机制有极大帮助.上文已经提到,对与非均匀的粘性128中央民族大学学报(自然科学版)第16卷颗粒系统,我们可以采用公式(3)衡量颗粒系统内部主要应力的分布情况.经计算,本次实验中,湿颗粒系统的Bo g 为定值1 15,可见,此时颗粒系统的粘性作用不可忽略,但Bo g 有接近于1,因此,有必要引入Co 衡量颗粒间应力状况.图(3)是粘性颗粒系统的Co 值分布情况.图(a)和(b)中依据Co 和Bo g 的大小关系,被划分为上、中、下三个区域.可以看到,粘性颗粒系统的内部应力状况随着高度不同呈现出一定规律的变化.随着颗粒高度增加,颗粒间的摩擦应力和毛细力逐渐减小,碰撞应力开始增大.以 =13rad s 为例,在20~25mm 范围内,颗粒间以碰撞应力为主;在15~20m m 高度范围,颗粒间的碰撞应力、毛细力以及摩擦应力共同作用;在0~15mm 范围内,颗粒间以毛细力和摩擦应力为主.随着颗粒高度的增加,颗粒受到的剪切作用也在增加,颗粒的水平流速和垂向脉动速度增大,导致颗粒间的碰撞作用增强,碰撞应力也随之增大.图3 湿颗粒系统的Co 分布Fig.3 Dis tribution of Co i n w e t granular s ys te m对于干颗粒,可采用Bagnold 提出的划分颗粒流动状态的标准[11],利用颗粒惯性力和黏性力之比的无量纲数来划分颗粒流动的状态,即Ba = 1 2 s d 2(du dy )(7) 为流体的黏性系数; 为颗粒的线性浓度. 与颗粒体积浓度C 和静态接触时颗粒最大可能浓度Co 的关系为={[(C 0 C )1 3]-1}-1(8) 当Ba <40时,颗粒间的碰撞不予考虑;当Ba >450时,颗粒碰撞占优,粒间流体作用可以忽略;在二者之间时,颗粒碰撞和流体黏性的影响都不可忽略.图4是干燥颗粒系统的Ba 分布图.按照颗粒间Ba 值不同,(a)(b)被划分为上下两个区域.从图中可以明显的看到,上层颗粒由于受到的剪切程度高,Ba 大于40,碰撞力已不可忽略;而下层颗粒由于受到的剪切作用低,颗粒间以摩擦应力为主.实验中还发现,尽管在较低层颗粒系统的Ba 值小于40,但此处颗粒仍存在一定的脉动速度,这可能与颗粒具有较好的弹性有关.对比图3和图4可以发现,干湿颗粒系统内部的应力分布状况差别明显.比如,当 =13rad s 时,干颗粒系统的碰撞应力的分布范围是8~25mm;同样条件下,湿颗粒系统碰撞应力的分布范围减小至20~25mm,可见粘性对颗粒流动的限制是十分明显的.3 3 粘性颗粒系统的分选实验按颗粒湿润程度不同分为三组进行,前两组实验选取了20mm 、15m m 、10mm 、5mm 和0mm 五个点,第三组实验选取10mm 、5m m 和0mm 三个点,分别记录小颗粒下落到不同高度处所需的时间,同时测量小颗粒分布范围以及该分布范围内小颗粒的平均体积分数.图5是大小颗粒在流动过程中分布高度和范围随时间的变化,它清楚的显示了大小颗粒的整个分129 第2期毛旭锋等:粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究图4 干颗粒系统的Ba 分布Fig.4 Dis tribution of Ba in dry granular s ys te m图5 小颗粒高度分布随时间的变化Fig.5 Relation between height di stribution of s mall particles and time选过程.图中空白区域是大颗粒的分布范围,0区内阴影面积是小颗粒的初始厚度分布,1~5区内点域是大小颗粒混合区,点域被一竖线分开,左右两边分别对应着混合区内小、大颗粒的平均体积分数.130中央民族大学学报(自然科学版)第16卷三组颗粒在剪切环的带动下,最终都完成了分选.但是,在分选的时间、颗粒浓度分布以及分选程度上,不同粘度的颗粒系统呈现出较大差异.下面,从以下三个角度探讨粘性颗粒系统的分选情况.(1)小颗粒浓度分布实验开始前,先将大颗粒放入流道内,在将小颗粒均匀铺在大颗粒表面,因此,可以认为小颗粒起始体积浓度为100%;随着实验的进行,小颗粒逐渐向下层渗透,与大颗粒相互混合,体积浓度减小;当小颗粒渗透到流道底部时,开始堆积,体积浓度逐渐增大,但最终的体积浓度要小于其开始的体积浓度100%.干颗粒实验中,小颗粒的浓度分布范围明显大于湿颗粒实验时的情况.以图(a)和(b)为例,当 =8rad s 时,小颗粒在分选过程中出现的最大分布厚度为12mm,而在湿颗粒实验时,小颗粒在相同条件下的最大分布厚度仅为8mm,而且两种情况下,小颗粒的体积分数分别为24%和36%,差距也很明显,同样的现象也通过对比图(d)、(e)和(f)发现.但是,相同转速条件下,颗粒湿度差异对小颗粒的浓度分布厚度造成的影响并不大,小颗粒的分布厚度及其在分布区内的体积分数几乎一致,产生这种现象的原因可能是此时颗粒系统的粘性效果已经十分明显,颗粒湿度的细微增大已经不能对结果产生重大的影响.通过以上分析可知,润湿后的颗粒粘性增强,无论水平流速还是垂向脉动速度都受到粘性的限制,导致小颗粒的分布范围减小,相对的小颗粒的体积分数增大.而干燥颗粒间几乎不存在粘性作用,颗粒受剪切的程度高,垂向的脉动速度大,小颗粒的分布范围也相对较大.(2)分选时间相同条件下,湿颗粒系统分选所需的时间比干颗粒系统的分选时间大得多,且颗粒湿润程度越高,颗粒分选所需的时间越长.当 =13rad s 时,在V *=0 03和0 04三种湿度条件下,颗粒系统完成分选所需的时间分别为520s 、725s 和927s,时间相差明显,产生上述现象的原因主要有两个:第一,非均匀颗粒的分选时间受颗粒流动过程中随机产生的空隙数影响,当颗粒流速较快时,颗粒层随机产生的空隙的大小和数量都会增多,小颗粒能较快地下落到下层空间中,分选所需的时间也相对较短.干燥颗粒分选时,颗粒的流速快,颗粒流动过程中随机产生的空隙也多,分选也相对容易,当颗粒湿润后,颗粒间的粘性力增大,流动性减弱,颗粒层间随机产生的空隙减少,延缓了颗粒分选的时间.另一个原因就是,颗粒粘性增大后,小颗粒相互黏结成团,分选需要更大的能量,这也一定程度上限制了颗粒的分选,延缓了分选的时间.(3)分选程度当小颗粒的分布厚度和体积浓度不在随颗粒系统的流动发生大的变化时,可以认为此时颗粒系统的分选已经完成.分选完成后,小颗粒的分布厚度以及该范围内的体积分数大小是衡量颗粒分选程度的主要因素.观察图5(a)、(d)可以发现,当V *=0时,分选完成后小颗粒的分布厚度分别为5 5mm 和6mm,所占的体积分数分别为67%和60%左右.同样条件下,当V *=0 003和0 004时,分选完成后小颗粒的分布厚度均为4mm,所占的体积分数也在都75%左右,差别不是很明显,可见,此时颗粒粘性对颗粒碰撞的影响已经很大.通过上文中对颗粒系统应力分布的分析可知,干燥颗粒受剪切程度高,颗粒水平流速和垂向脉动速度均大于湿颗粒系统,下层颗粒仍具有较大的垂向速度波动,且颗粒的弹性较好,而湿颗粒系统的颗粒粘性大,弹性小,垂向脉动速度也小,小颗粒更易在粘性的作用下黏结得更紧密.所以,干燥颗粒系统分选后,小颗粒的分布范围大,分选效果也不如湿颗粒系统.4 结 论本文通过剪切室实验研究了湿颗粒剪切下流动的分选情况,一般情况下,当粘性颗粒系统的碰撞应力足够小时,采用Bo g 指标衡量已经足够.但对于颗粒系统的碰撞应力和粘性力相差不大时,有必要引入Co 判断系统中的应力状况.本文通过实验分析,并得出以下几点重要的结论:131第2期毛旭锋等:粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究132中央民族大学学报(自然科学版)第16卷(1)颗粒粘性(即颗粒的湿润程度)越大,颗粒受到的剪切率越小,颗粒的水平流速、速度梯度以及脉动速度也越小.(2)相同条件下,粘性颗粒系统间的碰撞应力较干燥颗粒系统要小.但颗粒间的毛细力、黏滞力和摩擦力的大小和分布范围均会增大.(3)相同条件下,由于粘性颗粒系统的流动性较弱,导致颗粒分选的时间大幅增加;但颗粒由于粘性作用相互黏结得更紧密,所以与干燥颗粒系统相比,粘性颗粒的分选程度略好.参考文献:[1] C WIB OWO,Ng K M.Synthesis of bulk solids processing systems[J].Aiche Journal,1999,45:1629-1648.[2] KHAKHAR D V,MCC ARTHY J J,OTTINO J M.Mixing and segregation of granular Materials in chute flows[J].Chaos,1999,9(3):594-610.[3] WILLIAMS J C.T he segregation of particle materials[J].Powder Technology,1976,15:245-256.[4] SAVAGE S B,LUN C K K.Particle size segregation in inclined chute flow of cohesionless granular solids[J].Journal FluidMechanics,1988,189:311-355.[5] HIRSCHFE LD D,RAPAPORT D C.Moecular dynamics studies of grain segregation in a sheared flow[J].Physics Review,1997,E56:2012-2018.[6] STEVEN T,WATSON L,Vargas.Discrete characterization tools for cohesive granular material[J].Powder Techno logy,2001,116:214-223.[7] SAMADANI A,KUDROLLI A.Segregation transitions in wet granular matter[J].Physics Review,2000,85:5102-5105.[8] LI H,MC MCARY J J.Controlling cohesive particle mixing and segregation[J].Physics Review,2003,90:1-4.[9] WE NG L Y,SHU S H.Wet granular materials in sheared flows[J].Chemical Engineering Science,2005,60:4265-4274.[10] HONGMING LI,MCC ARTHY J J.Cohesive particle mixing and segregation under shear[J].Powder Technology,2006,164:58-64.[11] B AGNOLD R A.Experi ments on a gravi ty-free dispersion of water flow[J].Ro yal Society,1954,225:49-63.Experiment Studies on the Vertical Segregation ofCohesive Particles in S heared FlowMAO Xu feng,XIA Jian xin,MA Yan fang(Colle ge o f Li fe and Environme nt Sciences,Central U niversity for Nationalities,Bei jing 100081,China)Abstract:Compared with the dry particle systems,the flow and segregation of cohesive particle system will show different characteristics.This paper investigated the flow and segregation of cohesive particles in sheared flo w,and carried out analysis and discussion on both the phenomenon and the results ofe xperiments.Experimental results show that the cohesive particles cohere more closely and the mobility ofparticles turn weaker,and particle concentration distribution,stress and segregation will be impacted by the particle mobility.Key words:cohesive;granular flow;vertical segregation[责任编辑:白 玲]。

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，随着科学技术的迅猛发展，固液两相流和颗粒流的工程应用日益增多，因此这些研究的研究日趋深入。

与这些领域的其它技术不同，固液两相流和颗粒流是一种复杂的系统，受到多种因素的影响，包括物理性质、流体动力学和流体流动等，它们的运动特性受到外部环境的巨大影响。

因此，对固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究具有重要意义。

本文将就固液两相流和颗粒流的运动特性进行分析，并结合实测数据进行深入探讨。

固液两相流与颗粒流的运动特性通常可分为流体粒子运动特性、粒子间相互作用特性、粒子边界表面特性、质量传输特性和流体动力学特性等几个方面。

流体粒子运动特性是指固液两相流和颗粒流在外界力作用下的运动规律，比如流体的总体运动方向、流体流速和应力状态等。

粒子间相互作用特性指的是粒子之间的相互作用，包括粒子的互相依赖、粒子的能量转化和粒子的互相影响等。

粒子边界表面特性是指粒子边界表面与固液两相流和颗粒流之间的相互作用，可以影响流体流动和影响粒子间相互作用。

质量传输特性指的是在固液两相流和颗粒流中，物质的传热和传质状态，可以影响粒子的运动规律。

流体动力学特性指的是在液体流动方面，流体的总体压力、动能代数、应力状态等，它们可以影响固液两相流和颗粒流的运动特性。

结合实测数据，我们发现，固液两相流和颗粒流的运动特性是一个复杂的耦合系统，由多种因素共同作用而形成。

流体粒子运动特性是由多方面因素共同作用形成的，特别是受外界环境因素的影响比较大，这些因素包括流体粘性，流体压力，流体温度，流体流动等。

粒子间相互作用特性受到粒子间离子层结构和粘性等方面的影响，也受到物质传输的影响，当物质传输的速率高于粒子间的离子层结构时，粒子间的相互作用会变得很弱。

粒子边界表面特性受到流体的浸润性影响，因此，粒子边界表面的粘性系数是关键因素之一。

质量传输特性是由物质的传热和传质状态共同决定的，物质的传输能力受到表面张力和质量流率的影响，这关系到粒子之间的聚集程度。

固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究摘要：近年来，固液两相流和颗粒流的研究日益受到人们的重视，因为它们在矿物加工、冶金工业以及食品添加剂等众多生产领域中都有重要的应用。

本文将围绕固液两相流和颗粒流的运动机制进行详细的研究，包括介绍多种固液两相流和颗粒流的运动特性，分析流体动力学和结构特性对固液两相流和颗粒流性能的影品，以及固液两相流和颗粒流的实验研究等。

本文的研究成果表明，建立了一种有效的方法来研究固液两相流和颗粒流，这可以为研究人员提供重要的参考，以及设计出更先进的流体力学仪器。

关键词：固液两相流，颗粒流，流体动力学，实验研究1.言近年来，固液两相流和颗粒流的研究日益受到人们的重视，因为它们在矿物加工、冶金工业以及食品添加剂等众多生产领域中都有重要的应用。

固液两相流是指由不同物质组成的液体、固体及其他介质组成的多相混合流体系统，例如矿物加工中的浮选、冶金工业领域中的一次熔炼、以及食品添加剂行业中的生产过程等。

从本质上讲，固液两相流是一种自控机制，它可以自动调节其物质的流动性能。

颗粒流是指由不同形状的颗粒组成的混合流体，它们在能量作用下构成了多相动力学系统。

固液两相流和颗粒流在生产过程中都起着至关重要的作用，因此，研究它们的运动规律及其优化调控方法，对于更好地控制它们在众多领域中的应用具有重要意义。

2．固液两相流和颗粒流的运动机制（1）固液两相流的运动机制固液两相流是一种复杂的系统，其运动特性取决于液体和固体的特性以及系统的流动状态，因此，需要详细分析它们的流体动力学特性。

一般来说，固液两相流的运动可分为三类：挤出类、滚动类和漩涡类，其中挤出类和滚动类被称为均匀流动，而漩涡类被称为非均匀流动。

包括流体挤出、液体与固体共挤出和流体滚动在内的挤出运动，它们的主要特点是出口液体的流速低于入口液体的流速，并且液体和固体粒子一直处于动态平衡状态。

例如，在浮选和沉降过程中可以观察到这种运动。

（2）颗粒流的运动机制颗粒流的运动机制也可以分为三类：颗粒聚合类、颗粒分散类和流体支撑类，其中颗粒聚合类和颗粒分散类是以流体为核心的，而流体支撑类则是以流体为支撑的。

名词解释（每题2分，共22分）1.破碎比：原料粒度与产物粒度的比值。

2.限上率：筛分过程中，筛下物中大于要求粒度的物料占筛下物重量的百分数。

3.重力选矿：依据矿物间密度不同实现矿物分离的方法。

4.旋流器锥比：旋流器底流口与溢流口直径的比值。

5.干扰沉降：个别颗粒在粒群中沉降，成群的颗粒与介质组成分散的悬浮体，颗粒间的碰撞及悬浮体平均密度的增大，使个别颗粒的沉降速度降低。

6.浮选是依据各种矿物的表面性质的差异，在矿浆中借助于气泡的上浮力选分矿物的过程7.光电选矿利用矿物在特殊光线下的电效应进行分选8. 活化剂一些无机盐类化合物，如Pb(NO3)3、FeCl3等，本身不具有捕收活性，但能改善捕收剂的性能增加其对矿物的捕收活性，在矿物加工中将这样一类药剂9.商品金属平衡即上月遗留下来的盘存金属量十本月收入原矿的金属量＝运出的精矿中的金属量十尾矿中的金属量十遗留给下个月的盘存金属量十损失量10.萃取当两相接触时，水相料液中被分离的物质部分或几乎全部转移到有机相的过程。

11.化学选矿：根据矿物的化学性质进行选矿。

1. 破碎比：原料粒度与产物粒度的比值。

2. 筛分：将颗粒大小不同的混合物料，通过单层或多层筛子分成若干个不同粒度级别的过程.3. 磨矿效率：进行磨机作业时，单位功率所处理的矿料量，（吨（原矿）/千瓦时或新生-200目吨/千瓦时）。

4. 粒度组成：用称量的方法算出各级别物料的重量并计算出它们的重量百分率，从而说明这批矿料是由含量各多少的那些粒级组成。

5. 回收率：精矿中有用成分的质量与原矿中该有用成分质量之比。

6. 选矿：是根据矿石中各种矿物的物理或化学性质的差异，而采用不同的方法将它们彼此分离，并使用矿物达到相对富集的过程。

2.泡沫浮选：以泡沫为载体依据矿物表面物理化学性质的差异分选细粒物料的方法。

3.可选性：矿物浮选的难易程度。

4.品位：矿石中所含某种金属或有用组分的多少及目的物所占有的百分比。