粘附性颗粒动理学及气固两相流体动力特性的研究

论文摘要

粘附性颗粒已经在制药、食品、化妆品、催化、生化、能源等领域取得了重要的应用。在不同工业应用领域中均会遇到粘附性颗粒的混合、表面处理、输送等过程,在此流态化是一种很有潜力的技术。目前科学家们对粘附性颗粒的流态化研究主要集中于实验研究,数值模拟研究做的比较少,特别是对传统的双流体模型,如何进一步改进完善,以适应粘附性颗粒的气固两相流动的研究,成为当务之急。基于Chapman和Cowling的稠密气体动理学方法,建立了粘附性颗粒动理学理论,提出了颗粒相本构方程。考虑气相和粘附性颗粒聚团间及聚团和聚团间的动量和能量的传递和耗散,推导了粘附性颗粒聚团固相粘度系数、粘附性颗粒聚团压力和热通流量等物性参数计算模型,完善了可应用于粘附性颗粒系统的粘附性颗粒的颗粒动理学模型以及气固两相双流体模型。假设流化床中聚团的碰撞以两个聚团之间的对碰为主要形式,根据受力平衡原理,考虑聚团碰撞之后是团聚还是分离,取决于聚团所受的曳力、碰撞力、粘性力和表观重力（重力-浮力）的平衡,从而得到聚团尺寸估算模型。在笛卡尔坐标系下应用粘附性颗粒气固两相双流体模型,并采用力平衡聚团尺寸估算模型,数值模拟循环流化床内流体动力特性,研究时均颗粒速度、聚团大小和浓度的分布特性以及颗粒聚团温度随颗粒聚团浓度的变化规律。研究发现,粘附性颗粒聚团在循环流化床提升管内流动呈现环核流动。聚团尺寸计算结果显示在床层底部和边壁高浓度区易出现大颗粒聚团。由于出口位置的影响,在出口附近出现了聚团堆积。研究还表明,颗粒碰撞弹性恢复系数和界面能的变化将直接影响流化聚团的生成。操作条件的变化将改变颗粒聚团间的碰撞受力及气体对聚团的作用力,进而直接影响粘附性颗粒的聚团形成,也将影响循环床的整体流动特性。瞬时颗粒聚团浓度的快速傅立叶变换显示浓度波动主频为0.03到1.26Hz。瞬时颗粒浓度波动的小波多尺度分析结果显示的浓度波动主频与快速傅立叶变换的结果基本吻合。建立了喷动床粘附性颗粒气固两相流流动模型,对喷动床内粘附性颗粒气固两相流场进行了数值模拟。模拟结果表明,喷动床内粘附性颗粒气固两相流场与一般的喷动床流场不同,仅有喷射区和环隙区,无喷泉区。倒锥体复杂壁面将影响喷动床内气固两相流动变化。采用傅立叶变换和小波多分辨分析对颗粒聚团瞬时浓度信号分析表明喷动床内气固两相流动具有非线性特性,小波多尺度预测了瞬时颗粒聚团浓度的脉动频率特性。采用Shannon信息熵理论分析了粘性颗粒在喷动床内流化的混沌特性,研究结果表明:Shannon信息熵值在1-3之间,随着气体速度和倒锥体倾角角度增加而下降。床层不同区域的Shannon信息熵具有较大的差异。应用粘附性气固两相颗粒动理学模型数值模拟了纳米尺寸颗粒在流化床内的流动。模拟结果表明,纳米颗粒在流化床内流化特性呈现散式流化,床层膨胀率较高,床内很难有气泡生成。模拟对比了Zhou & Li和Xu & Zhu两种粘附性颗粒聚团尺寸估算模型,对比发现Zhou & Li更加详细考虑了曳力和重力对颗粒聚团及破碎的影响。其模拟得出聚团尺寸更加吻合实验结果。同时,采用信息熵方法分析纳米颗粒聚团流化的混沌特性。分析得出,在床层上部聚团时间序列的信息熵值较大,在床层上部聚团与气体间,聚团与聚团间的脉动变化比较剧烈,这与颗粒脉动温度分析结果一致。表观气体速度的增加,其信息熵值变小,纳米颗粒在床内流化更加稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 粘附性颗粒气固两相流动的研究
• 1.1.1 颗粒的分类
• 1.1.2 粘附性颗粒的鼓泡流态化
• 1.1.3 粘附性颗粒聚团的散式流态化
• 1.2 粘附性颗粒聚团的研究
• 1.2.1 颗粒间相互作用力
• 1.2.2 聚团间相互作用力
• 1.3 颗粒间聚团机理
• 1.3.1 聚团形成机理
• 1.3.2 颗粒聚团形成和破裂的判断依据
• 1.4 颗粒聚团尺寸计算模型
• 1.4.1 基于床层临界流动状态的模型
• 1.4.2 基于聚团作用力和能量平衡的颗粒聚团尺寸计算模型
• 1.5 气固两相湍流流动的数值模拟
• 1.6 本文研究的主要内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 粘附性颗粒气固两相流动模型
• 2.1 引言
• 2.2 粘附性颗粒气固两相流动中气相湍流的大涡模型
• 2.2.1 单相流体的大涡模拟
• 2.2.2 气固两相流动的气相大涡模拟控制方程
• 2.2.3 亚格子雷诺应力的封闭
• 2.3 粘附性颗粒动理学
• 2.3.1 颗粒数目密度分布
• 2.3.2 Boltzmann 积分微分方程组和一般输运理论
• 2.3.3 碰撞积分的进一步简化
• 2.3.4 固相的质量、动量和能量守恒方程
• 2.4 粘性颗粒系统碰撞应力
• 2.4.1 应力积分计算
• 2.4.2 沿碰撞方向的积分
• 2.4.3 应力积分第一项求解
• 2.4.4 应力积分第二项求解
• 2.4.5 粘性颗粒的碰撞压力与粘度
• 2.5 粘性颗粒系统碰撞热流通量
• 2.6 本章小结
• 第3章 循环流化床内粘附性颗粒气固两相流流动特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型、数值方法和边界条件
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 颗粒和颗粒聚团的流动行为
• 3.3.2 入口进气速度对颗粒和颗粒聚团流动特性的影响
• 3.3.3 入口质量流量对颗粒和颗粒聚团流动特性的影响
• 3.3.4 弹性恢复系数对颗粒和颗粒团聚流动特性的影响
• 3.3.5 界面能对颗粒和颗粒团聚物流动的影响
• 3.3.6 与试验结果对比
• 3.3.7 功率谱分析
• 3.3.8 小波多分辨分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 喷动床内粘性颗粒气固两相流流动特性的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型和边界条件
• 4.3 模拟结果与讨论
• 4.3.1 喷动床内气固两相的流动行为
• 4.3.2 不同入口气体喷动速度的比较
• 4.3.3 倒锥体倾角的比较
• 4.3.4 Hamaker 常数A 的比较
• 4.3.5 瞬时颗粒聚团浓度多分辨分析
• 4.3.6 信息熵分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 流化床内纳米颗粒气固两相流流动特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 数学模型、模拟参数和边界条件
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 纳米颗粒和颗粒聚团的流动行为
• 5.3.2 进气速度对纳米颗粒聚团流动的影响
• 5.3.3 聚团大小的计算模型比较
• 5.3.4 纳米颗粒散式流化的信息熵分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 粘性颗粒碰撞动力学
• 附录 B 瞬时速度与脉动速度变量的转换
• 附录 C 应力积分第一项求解中间过程
• 附录 D 压力和粘度修正系数的求解公式
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 其它发表的论文
• 致谢
• 个人简历