第二章第二章 气固两相流动气固两相流动 1 1基础教学基础教学气固两相流广泛存在于煤粉燃烧、气力输送、环保除尘等场合。其特性参数主要包括浓度、空隙度、密度、比面积、粘度、比热、导热系数、颗粒松弛时间、颗粒平均尺寸等等。 2 2基础教学基础教学2.1 2.1 气固两相流动的基本概念和特性参数气固两相流动的基本概念和特性参数2.1.1 2.1.1 气固两相流动的基本概念气固两相流动的基本概念1 1气固两相流的基本特点气固两相流的基本特点 气体分子分布均匀，而颗粒是分散的、直径大小不同，为气体分子分布均匀，而颗粒是分散的、直径大小不同，为了简便起见仅考虑一个平均尺寸。了简便起见仅考虑一个平均尺寸。 颗粒相一般不作为连续介质。颗粒相一般不作为连续介质。 颗粒相的惯性比较大，气体和颗粒之间存在着速度的滑移，颗粒相的惯性比较大，气体和颗粒之间存在着速度的滑移，因而各自运动规律会相互影响。因而各自运动规律会相互影响。 颗粒之间以及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。颗粒之间以及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同速度。不同速度。3 3基础教学基础教学2 2粒径粒径 粒径表示每个固体颗粒的大小程度，是判断固体粒径表示每个固体颗粒的大小程度，是判断固体颗粒粗细程度的一个指标。如果颗粒是球形的颗粒粗细程度的一个指标。如果颗粒是球形的或近似于球形的，那么可以取其直径作为粒径。或近似于球形的，那么可以取其直径作为粒径。若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测定并将其表示出来是几乎不可能的。许多人提出定并将其表示出来是几乎不可能的。许多人提出了各种各样的粒径测定方法，在这些方法中，实了各种各样的粒径测定方法，在这些方法中，实际应用的大致有两种。际应用的大致有两种。 4 4基础教学基础教学 1 1）直接测定的当量直径）直接测定的当量直径( (显微镜粒径显微镜粒径) )：当颗粒的：当颗粒的大小能用显微镜直接测定时可以取投影面一定方大小能用显微镜直接测定时可以取投影面一定方向上的各个颗粒的最大尺寸作为颗粒的粒径。向上的各个颗粒的最大尺寸作为颗粒的粒径。 2 2）间接测定的有效直径）间接测定的有效直径( (沉降颗粒直径沉降颗粒直径) )：根据颗：根据颗粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有效直粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有效直径。它主要用于测定不能用筛网计测的极小微粒。径。它主要用于测定不能用筛网计测的极小微粒。首先测定出球体颗粒的沉降速度，再根据公式求首先测定出球体颗粒的沉降速度，再根据公式求出沉降速度相应的球体直径。出沉降速度相应的球体直径。 5 5基础教学基础教学3 3粒度分布粒度分布 颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒，对颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒，对不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可以用不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可以用粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如下：首粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如下：首先取出一部分代表性物料，将颗粒径按几微米大先取出一部分代表性物料，将颗粒径按几微米大小的间隔进行分区，分别测定个颗粒粒径间隔间小的间隔进行分区，分别测定个颗粒粒径间隔间的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗粒径为横坐标，的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗粒径为横坐标，以相同颗粒径间隔以相同颗粒径间隔(10) (10) 之间的颗粒重量之间的颗粒重量( (或颗粒数或颗粒数) )的百分数为纵坐标，画出矩形图。最后将所画出的百分数为纵坐标，画出矩形图。最后将所画出的各矩形上面的线段的中点连接，便可以得到颗的各矩形上面的线段的中点连接，便可以得到颗粒度分布曲线。粒度分布曲线。6 6基础教学基础教学4 4平均粒径平均粒径 平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。确定值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。确定平均粒径的方法很多，大致有算术平均、几何平平均粒径的方法很多，大致有算术平均、几何平均、调和平均、面积长度平均、体面积平均、重均、调和平均、面积长度平均、体面积平均、重量平均、平均表面积、平均体积、比表面积、中量平均、平均表面积、平均体积、比表面积、中径和多数径等。其中应用最多的是中径和多数径。径和多数径等。其中应用最多的是中径和多数径。同一颗粒群用各种方法平均后，会得到各种不同同一颗粒群用各种方法平均后，会得到各种不同的平均粒径值。的平均粒径值。7 7基础教学基础教学2.1.2 气固两相流动的特性参数 设气体固体颗粒混合物的体积为V，质量为W，其中气体的体积为 ，质量为 ；固体颗粒的体积为 ，质量为 ，颗粒数为 N 。8 8基础教学基础教学1. 质量含气率 气体质量占两相混合物质量的份额为质量含气率，即 （2-1）而 （2-2）为质量含固率。9 9基础教学基础教学2. 容积含气率 气体体积占两相混合物体积的份额为容积含气率，即 （2-3）而 （2-4）1010基础教学基础教学 为容积含气率。它是研究气体固体颗粒两相流的重要参数之一。容积含气率与颗粒的球形度、均匀程度和堆积情况有关。颗粒的球形度小的，即形状不规则的，由于颗粒群可以相互交错，容积含气率小；颗粒粒径不均匀的，颗粒群中的细颗粒可以填充在粗颗粒之间，比粒径均匀的容积含气率要小；密实堆积比较松散堆积的容积含气率小。一般物料任意堆积时的容积含气率约为0.4。1111基础教学基础教学3混合比和浓度 气固两相流中的混合比（或载荷比）是指单位时间内通过输送管道有效截面的颗粒的质量与气体的质量之比值，用符号z表示。 （2-5）1212基础教学基础教学 其中 和 分别是单位时间通过的颗粒质量和气体质量，当颗粒速度 等于输送气流速度 时，则 （2-6）1313基础教学基础教学混合比z是一个无量纲量。它是气固两相流中一个很重要的参数。它的大小直接影响输送管道内压力损失。混合比越大，对于增大输送能力来说是有利的。但混合比过大，在同样气流速度下可能产生堵塞，输送压力也增高。因此混合比的数值受物料的物理性质、输送方式以及输送条件等因素的控制。1414基础教学基础教学 浓度通常的指单位容积的气固两相混合物内所含的颗粒质量。 （2-7） 输送浓度是指单位时间内单位容积的气体所输送的固体重量，用符号 表示。 （2-8）1515基础教学基础教学输送浓度是有量纲量。对于稳定的均匀流动，混合比在管道内各部分都是一定的。但是，输送浓度由于空气的膨胀（或压缩），引起空气密度的减小（或增大），而使输送浓度逐渐变小（或增大）。在流道的不同位置上，输送浓度的变化又直接影响该处的能量消耗，所以对于这种流动可以用输送浓度来计算压力损失值。1616基础教学基础教学4. 4. 数密度数密度 单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的数密度，即数密度，即 (2-9)(2-9) 两相混合物的密度两相混合物的密度 (2-10)(2-10) 这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则有有 （2-2-1111）1717基础教学基础教学5 5球形度球形度 实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。 球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式是球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式是非球形颗粒的实际表面非球形颗粒的实际表面 与非球形颗粒同体积的与非球形颗粒同体积的圆球表面积圆球表面积 之比，即之比，即 （2-2-1212）1818基础教学基础教学球形度与空隙率有关，球形度越小，在密度填充时，由于表面形状极不规则，颗粒可以互相交错，使空隙率减小。在松散填充时，颗粒间空隙增大，空隙率也增大。1919基础教学基础教学2.1.3 气固两相流动的基本特性1稀相和浓相 顾名思义，稀相是指气相中悬浮着很少的固体颗粒。浓相是指气相中含有很多的悬浮颗粒。要确切地给出稀相和浓相的界限是很困难的。2020基础教学基础教学有两种常用的区分方法：一是以颗粒的百分含量区分；用有两种常用的区分方法：一是以颗粒的百分含量区分；用颗粒的容积百分含量区分时，把颗粒的容积百分含量大于颗粒的容积百分含量区分时，把颗粒的容积百分含量大于某一浓度指标的气固两相混合物称为浓相，低于该浓度指某一浓度指标的气固两相混合物称为浓相，低于该浓度指标的称为稀相。标的称为稀相。二是从颗粒群的运动机理来加以区分。颗粒群中的颗粒运二是从颗粒群的运动机理来加以区分。颗粒群中的颗粒运动是受空气动力以及颗粒之间相互碰撞的两种力所支配。动是受空气动力以及颗粒之间相互碰撞的两种力所支配。如果颗粒的运动的由当地气动力所支配，与颗粒如果颗粒的运动的由当地气动力所支配，与颗粒- -颗粒的颗粒的碰撞无关，这意味着气流中颗粒极稀少，粒子在下一次碰碰撞无关，这意味着气流中颗粒极稀少，粒子在下一次碰撞前有足够的时间响应当地的流场变化，这种气体撞前有足够的时间响应当地的流场变化，这种气体- -固体固体两相混合物的流动称为稀相流动。相反，如果颗粒的运动两相混合物的流动称为稀相流动。相反，如果颗粒的运动主要由碰撞所支配，与当地的流场无关。这种情况意味着主要由碰撞所支配，与当地的流场无关。这种情况意味着颗粒很浓，颗粒在下一次碰撞前没有充裕时间响应流场变颗粒很浓，颗粒在下一次碰撞前没有充裕时间响应流场变化，这种气体化，这种气体- -固体两相混合物的流动称为浓相流动。固体两相混合物的流动称为浓相流动。 2121基础教学基础教学2 2平衡流和冻结流平衡流和冻结流 斯托克斯数斯托克斯数 气体气体- -颗粒两相混合物的流动中，颗粒的速度与颗粒两相混合物的流动中，颗粒的速度与输送气体的速度相等时，即输送气体的速度相等时，即 = = 称为平衡流。称为平衡流。如果颗粒的速度不受输送气体的影响，或者说，如果颗粒的速度不受输送气体的影响，或者说，颗粒有足够的时间来响应气体流场的变化，对于颗粒有足够的时间来响应气体流场的变化，对于这种流动称为冻结流。因此，平衡流也可以理解这种流动称为冻结流。因此，平衡流也可以理解为颗粒有充分时间响应气体流场的变化，使颗粒为颗粒有充分时间响应气体流场的变化，使颗粒始终保持与气体的速度相等。始终保持与气体的速度相等。2222基础教学基础教学 平衡流与冻结流可以用斯托克斯相似准则数加以平衡流与冻结流可以用斯托克斯相似准则数加以区别，该相似准则是空气动力响应时间和流动的区别，该相似准则是空气动力响应时间和流动的滞留时间的比值。滞留时间的比值。 （2-2-1313） 时，即时，即 ， 接近接近 ，称平衡流。，称平衡流。 时，即时，即 ，不受流场变化的影响而，不受流场变化的影响而接近常数，称冻结流。根据经验，接近常数，称冻结流。根据经验， 的流的流动可看着平衡流。动可看着平衡流。2323基础教学基础教学3颗粒的沉降速度和悬浮速度 研究气流中颗粒的运动，很重要的问题是要知道颗粒的大小以及它的特性。颗粒的特性首先明显的表现在沉降或悬浮速度上。 2424基础教学基础教学沉降速度的计算式 （2-14）圆球的阻力系数 通常称为“标准阻力系数”。2525基础教学基础教学4. 4. 松弛过程松弛过程 气体气体- -颗粒流的主要特点是它们有不同的速度，颗粒流的主要特点是它们有不同的速度，也可以有不同的温度，以致两相间必然发生相互也可以有不同的温度，以致两相间必然发生相互作用；颗粒受到气流的阻力作用，而且与气体有作用；颗粒受到气流的阻力作用，而且与气体有热交换。这样互相作用的结果，就使它们的速度、热交换。这样互相作用的结果，就使它们的速度、温度逐渐接近，最终达到某种相对平衡状态。它温度逐渐接近，最终达到某种相对平衡状态。它们接近的瞬时速率决定于该瞬时的速度差和温度们接近的瞬时速率决定于该瞬时的速度差和温度差。这样的接近过程称为松弛过程，并用松弛时差。这样的接近过程称为松弛过程，并用松弛时间表示其特征时间间表示其特征时间 2626基础教学基础教学1）速度松弛?2）温度松弛?2727基础教学基础教学Thanks for your attention!2828基础教学基础教学