受水平风速影响的自由下落微粒羽流流场特性研究

论文摘要

在工业生产、散料的运输等过程中，常常伴随着粉尘的产生，导致工作场所环境空气的污染。身处粉尘污染环境不仅会影响人体心血管、呼吸道的健康，而且对皮肤健康也会有很大的危害。控制生产过程中粉尘的产生，是确保安全生产、工人健康以及环境品质的重要环节。近年来，世界上许多国家的工业机构以及立法界对粉尘污染高度重视，越来越多的科研学者及环保学者投入到对粉尘污染的机理与控制的研究当中。微粒粉尘在环境空气中的运动特性是人工环境控制研究领域的重要课题之一。通过研究自由下落微粒羽流在不同环境风速中的运动规律以及微粒与环境空气之间的耦合机理，弄清楚微粒与环境空气之间的耦合规律以及不同环境空气中的微粒运动规律，可以为通风除尘、人工控制环境等提供一定的理论依据。本文以黄沙、二氧化硅以及氯化钠三种不同的微粒为研究对象，以数值模拟和实验研究两种手段对微粒流在水平流动的环境空气中自由下落时的变化规律进行研究。通过采用ANSYS CFX软件，选用k-ε湍流模型模拟计算不同风速、不同微粒粒径、不同初始下落口径及不同密度微粒对微粒流在自由下落过程中的流场特性的影响。实验过程中，采用风量实验台提供平行的环境风速，使用高速摄像仪对微粒在自由下落过程中的运动轨迹进行跟踪拍摄，并且使用配套的ISIGHT-3G软件对所得图片进行分析处理，得到不同环境风速、不同初始下落口径、不同微粒密度及不同微粒粒径对微粒流特性的影响规律。研究结果显示：微粒流在自由下落过程中，微粒速度随着下落高度的增大而增大，当微粒流下落高度增大到一定值时，微粒流速度趋于稳定；微粒流偏移距离随着下落高度的增大而增大，并且随着下落高度的增大，微粒流偏移距离的增长速率减小；随着环境风速的增大，微粒流速度增大，微粒流偏移距离增大；随着微粒粒径的增大，微粒流速度减小，微粒流偏移距离减小；随着微粒密度的增大，微粒流速度减小，微粒流偏移距离减小；随着微粒流初始下落口径的增大，微粒速度在微粒流自由下落初期随着初始下落口径的增大而减小，到达一定的下落高度之后，初始下落口径对微粒流速度的影响变小，微粒流偏移距离随着微粒流初始下落口径的增大而减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景及研究目的
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 气固两相流研究现状
• 1.2.1 气固两相流
• 1.2.2 气固两相流的数值模拟
• 1.3 自由下落微粒羽流的研究进展
• 1.4 本课题研究内容
• 1.5 本课题创新点
• 第二章 耦合机理与数学模型
• 2.1 对本课题的基本假设
• 2.2 相关基本概念
• 2.2.1 固相颗粒的粒径
• 2.2.2 固相颗粒的密度、体积分数与质量负载
• 2.3 流场中微粒的受力分析
• 2.3.1 微粒的摩擦阻力
• 2.3.2 微粒的浮力
• 2.3.3 微粒的重力
• 2.4 耦合机理分析
• 2.5 数学模型
• 第三章 数值模拟
• 3.1 数值模拟软件
• 3.2 数值模拟计算参数设定
• 3.2.1 模拟边界的确定
• 3.2.2 相关物性参数的确定
• 3.2.3 网格划分
• 3.3 数值模拟结果与分析
• 3.3.1 不同风速对微粒流场特性的影响
• 3.3.2 不同微粒粒径对微粒流场特性的影响
• 3.3.3 不同密度对微粒流场特性的影响
• 3.3.4 不同初始下落口径对微粒流场特性的影响
• 3.4 数值模拟结论
• 第四章 实验研究
• 4.1 实验装置介绍
• 4.1.1 实验中使用的主要部件
• 4.1.2 实验测量主要仪器和分析软件
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 微粒的粒径
• 4.2.2 微粒的密度
• 4.2.3 微粒流质量流量
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 不同风速对微粒流场特性的影响
• 4.3.2 不同微粒粒径对微粒流场特性的影响
• 4.3.3 不同密度对微粒流场特性的影响
• 4.3.4 不同初始下落口径对微粒流场特性的影响
• 4.4 实验结论
• 第五章 数值模拟与实验结果对比分析
• 5.1 不同工况的实验结果与数值结果对比分析
• 5.2 对比分析结果
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 对后续工作的建议
• 参考文献
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢