两相流体力学及设备资料.ppt

第三篇 两相流体力学及设备 授课教师:韩涛 Tel主要内容 第十一章两相流体力学的基本原理 第十二章 流体分级设备 第十三章 收尘设备 第十四章 气力输送设备 第十一章两相流体力学的基本原理 §11-1概述 §11-2 颗粒在流体内作相对运动时的阻力 §11-3 颗粒在流体中的运动 §11-4 流体通过颗粒层的流动 §11-5 固体流态化 §11-1概述 一、多相流体力学 多相流体力学是近期发展起来的一门流体力学分支。 许多不同态物质的混合物的流动体系称为多相流动。 最普通的一种多相流动为两相流动。它是由四种态物质（即固体、液体、气体和等离子体）中的任意两种态结合组成。有关这些两相流问题的结论和分析，亦可以推广应用到多相流动的情况。 本章就各种两相流动问题给出颗粒-流体（气体或液体）这一个系统，主要介绍颗粒流体的两相流动在工程中的实际应用。 二、硅酸盐工业生产过程中的两相流 在硅酸盐工业生产过程中，常常遇到流体与固体颗粒相接触并发生相对运动的过程。 例如，气固系统的分离、分级、混合以及粉状物料的输送，气流中颗粒的干燥、预热、分解、煅烧以及冷却，液固系统（悬浮液）的洗选、浓缩（脱水、增稠）、搅拌以及过滤等。 颗粒流体力学的内容 有的单纯是流体与固体颗粒相对运动的力学问题，有的还牵涉到传热，传质以及化学反应等问题。性质虽然各不相同，但是这些操作过程都是基于处在流体介质中的固体颗粒因受外力（重力、惯性力、磁性吸引力、浮力、电力等）的作用，对介质产生不同的相对运动而得以实现的。 从力学上研究固体颗粒与流体之间发生相对运动的规律，以及它们之间相互作用的规律，并应用这些规律来解决实际问题，这就是颗粒流体力学的内容。 掌握颗粒流体力学的知识，进一步研究与之密切相关的热工学、化学方面问题，以达到更有效地从事控制、改进和设计生产过程。 三、两相流动系统的共同特点 颗粒流体是包含固体颗粒和流体的两相流动系统，这些系统的各个过程均具有以下的共同特点： 1、系统中除了固体颗粒外，至少另有一种流体（气体或液体）同时存在； 2、系统中除了颗粒与流体的运动外，往往还存在着其它传递过程（相内或相界面的能量与质量的传递）以及同时进行着的化学反应过程； 3、系统中至少存在着一种力场（重力场、惯性力场、磁或电力场等）； 4、系统中颗粒的粒径范围为10-5～10cm（大致介乎烟雾中最大颗粒或微尘中最小颗粒和水泥立窑的粒料之间）。 四、颗粒流体的两相流动三种典型情况 颗粒流体的两相流动按其本身系统性和作用过程可分为三种典型情况： （1）流体穿过固定的颗粒层（即固定床）的流动，例如立窑中粒料的煅烧，移动式炉篦上熟料的冷却、料浆的过滤脱水以及过滤层收尘等过程； （2）当流体速度增加到一定程度，固定颗粒层呈现较疏松的活动（假液化）状态（即流化床）的流动，例如流态化烘干预热、粉状物料的空气搅拌以及空气输送斜槽的气力输送等过程； （3）流体与固体颗粒相对运动速度更高，颗粒在流体中呈更稀的悬浮态运动（即连续流态化）的流动，例如悬浮预热分解、沉降、收尘、分级分选、气力输送等过程。 §11-2颗粒在流体内作相对运动时的阻力 颗粒在流体中作相对运动时，所遇到的阻力Fd的大小，与下述因素有关： 垂直于运动方向的颗粒横截面积，对于球形颗粒则为颗粒的直径dp； 颗粒在流体中的相对运动速度v； 流体的粘度μ和密度ρ等。 因此，阻力的变化，可用下述函数式表示： 阻力计算 使用因次分析法将上述关系整理为无因次数群之间的关系： 投影面积A A:颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积。 对于球形颗粒， 阻力系数ξ 因颗粒在流体中相对运动的情况不同，与流体在管道中的流动一样，也有着几种不同的流态。在不同的流态下，阻力的性质不同，因而阻力系数ξ与Rep的关系也就不同。 1）层流状态 当Rep值较小时，流体能一层层地平缓绕过颗粒，在后面合扰，流线不致受到破坏，层次分明，呈层流状态。这时颗粒在流体中运动的阻力，主要是各层流体以及流体与颗粒之间相互滑动时的粘性阻力，阻力大小与雷诺数Rep有关。 2）过渡流状态 当Rep值较大时，由于惯性关系，紧靠颗粒尾部边界发生分离，流休脱离了颗粒的尾部，在后面造成负压区，吸入流体而产生漩涡，引起了动能损失，呈过渡流状态。这时，颗粒在流体中运动的阻力就包括颗粒侧边各层流体相互滑动时的粘性摩擦力和颗粒尾部动能损失所引起的惯性阻力，它们的大小按不同的规律变化着。 3）湍流状态 当Rep值甚大时，颗粒尾部产生的涡流迅速破裂，并形成新的涡流，以致达到完全湍动，处于湍流状态，此时粘性阻力巳变得不大重要，阻力大小主要决定于惯性阻力，因而阻力系数与Rep的变化无关，而趋于一固定值。当Rep值更高，流速很大，颗粒尾部产生的涡流迅速被卷走，仅在紧靠颗粒尾部表面残留有