均匀磁场作用下的液固流化床流动特性研究

论文摘要

液固流化床具有良好的传热、传质和液固混合均匀等特性,已在冶金与采矿、废水处理、食品与药品生产、生物化工等领域得到很好的应用。由于液固流化床内两相流动结构的复杂性,还没有一套完善的理论来详细描述流化床内液固两相流动特性。目前液固流化床流动特性研究主要采用欧拉双流体模型,它能够模拟宏观量级的颗粒,但不能跟踪颗粒得到颗粒的详细运动信息。而Euler-Lagrange模型在Lagrange坐标下求解离散颗粒运动,在Euler坐标下求解液相运动,即可描述流场的宏观状态,也可以追踪颗粒运动考虑颗粒的碰撞来模拟颗粒间的相互作用。本文首先介绍了液固流化床和外加磁场作用下的液固流化床研究现状。将离散元模型（DEM）引入到液固两相流动数值模拟中。对于数学模型,液相采用计算流体力学方法,颗粒相采用软球模型,同时考虑了相间耦合作用。在考虑外加均匀磁场对颗粒受力模型的影响的基础上,建立磁场作用下的液固流化床模型。利用上述模拟方法复现液固流化床内典型流动现象。在考虑润滑力的影响下,研究了改变表观液速、液体粘度、液体密度、颗粒密度、颗粒直径等条件后,液固流化床内的颗粒瞬时分布、颗粒浓度分布、颗粒运动轨迹、床层膨胀高度、床层压降、颗粒拟温度、颗粒运动速度、液体速度的变化规律。通过建立外加均匀磁场下液固流化床流动模型,研究了外加轴向和横向均匀磁场时的液固两相流动特性。通过改变磁场强度、磁与非磁颗粒的比例,研究了床内颗粒分布、浓度分布、速度分布、压降变化、颗粒拟温度等参数变化,并对磁性颗粒进行了受力分析。模拟发现外加磁场后床内磁颗粒将链接成磁链。随磁场强度的增大,磁链逐渐变长,运动速度逐渐降低,这是因为随着磁场强度的增大,磁颗粒所受磁场力和磁颗粒间感应力均增大,这影响了颗粒运动。通过改变磁场强度可以控制磁链在床层内的流化区域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 固体颗粒流态化现象
• 1.3 液固流化床的研究进展
• 1.4 液固磁场流化床的研究进展
• 1.5 液固两相流动的数值模拟方法
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 理论模型与计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 液固两相流动的数学模型
• 2.2.1 液相控制方程
• 2.2.2 颗粒相控制方程
• 2.2.3 相间作用力
• 2.3 外加磁场力数学模型
• 2.3.1 外加磁场力
• 2.3.2 磁感应力
• 2.4 计算流程
• 2.5 本章小结
• 第3章 液固流化床内液体-颗粒流动特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型和条件
• 3.2.1 边界条件和初始条件
• 3.2.2 计算参数和模拟工况
• 3.3 液固流动特性分析讨论
• 3.3.1 润滑力对液固两相流动的影响
• 3.3.2 表观液速对液固两相流动的影响
• 3.3.3 液体粘度对液固两相流动的影响
• 3.3.4 液体密度对液固两相流动的影响
• 3.3.5 颗粒密度对液固两相流动的影响
• 3.3.6 颗粒粒径对液固两相流动的影响
• 3.3.7 入口排布对液固两相流动的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 外加磁场下的液固流化床流动特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.3 外加轴向磁场下的颗粒运动特性
• 4.3.1 轴向磁场对颗粒运动的影响
• 4.3.2 轴向磁场对颗粒运动速度的影响
• 4.3.3 轴向磁场对颗粒浓度的影响
• 4.3.4 轴向磁场对颗粒拟温度的影响
• 4.3.5 轴向磁场对床层压降的影响
• 4.4 外加轴向磁场下的颗粒受力分析
• 4.4.1 轴向磁场对磁颗粒间磁感应力的影响
• 4.4.2 轴向磁场对颗粒间接触力的影响
• 4.5 外加横向磁场液固流化床流动特性的影响
• 4.5.1 横向磁场对颗粒运动特性的影响
• 4.5.2 横向磁场对颗粒运动速度的影响
• 4.5.3 横向磁场对颗粒浓度和拟温度的影响
• 4.5.4 横向磁场对颗粒受力的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢