颗粒流体两相运动四川大学化工原理ppt课件.ppt
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1、第四章颗粒流体两相流动.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体与颗粒的相对运动流体与颗粒的相对运动 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)流体与固体颗粒之间有相对运动时,将发生动量传递。颗粒表面对流体有阻力,流体则对颗粒表面有曳力。阻力与曳力是一对作用力与反作用力。由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面的复杂性,流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体壁面上要复杂得多。爬流(Creeping flow):来流速度很小,流动很缓慢,颗粒迎流面与背流面的流线对称。
2、.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)在球坐标系中用连续性方程和N-S方程可得到颗粒周围流体中剪应力 r 和静压强 p 的分布为 式中p0为来流压力。流体对单位面积球体表面的曳力(表面摩擦应力)为.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)r 在 z 轴的分量为 表面曳力(Wall drag)
3、所以整个球体表面摩擦曳力在流动方向上的分量 F 为 z dd.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值0 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为 浮力 Fb与流体运动无关流体对颗粒的形体曳力 Fp正比于流速 u形体曳力(Form drag).资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)
4、流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和 斯托克斯(Stockes)定律 严格说只有在 Rep 0.1 的爬流条件下才符合上式的求解条件 颗粒雷诺数颗粒雷诺数.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)颗粒表面的总曳力 Fd(1)Rep2,层流区(斯托克斯定律区)(2)2Rep500,过渡区(阿仑定律区)(3)500Rep2105,湍流边界层区 边界层内的流动也转变为湍流,流体动能增大使边界层分离点向后移动,尾流收缩、形体曳力骤然下降,
5、实验结果显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象,CD 0.1。.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient)曳力系数 CD 与颗粒雷诺数 Rep 的关系 流体绕球形颗粒流动时的边界层分离.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity)单颗粒(或充分分散、互不干扰的颗粒群)在流体中自
6、由沉降时在所受合力方向上产生加速度 合力为零时,颗粒与流体之间将保持一个稳定的相对速度。Fd Fg Fb ut 由颗粒与流体综合特性决定,包括待定的曳力系数CD重力场中的沉降速度.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity)颗粒-流体体系一定,ut一定,与之对应的Rep 也一定。根据对应的 Rep,可得到不同Rep范围内 ut 的计算式:(1)Rep2,层流区(斯托克斯公式)(2)2Rep500,过渡区(阿仑公式)(3)50
7、0Rep ut,up 0,颗粒向上运动;u ut,up 0,颗粒向下运动。.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值非球形颗粒的几何特征与曳力系数非球形颗粒的几何特征与曳力系数 一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的主要几何特征。等体积当量直径 deV 等表面积当量直径 deA 等比表面积当量直径 dea 颗粒形状系数 非球形颗粒4个几何参数之间的关系 工程上多采用可以测量的等体积当量直径 deV 和具有直观意义的形状系数A。.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间
8、的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体通过固定床的流动流体通过固定床的流动 固定床(Fixed bed):固定不动的固体颗粒层例:固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。颗粒床层的几何特性颗粒床层的几何特性 粒度分布粒度分布 测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒,粒度一般大于70mm,通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。标准筛:国际标准组织 ISO 规定制式是由一系列筛孔孔径递增(0.045 mm 4.0mm)的,筛孔为正方形的金属丝网筛组成,相邻两筛号筛孔尺寸之比
9、约为2。由于历史的原因,各国还保留一些不同的筛孔制,例如常见的泰勒制,即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号,国内将其称之为目数。.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值密度函数(频率函数)和分布函数密度函数(频率函数)和分布函数若筛孔直径为 di-1 和 di 相邻两筛的筛留质量为mi,质量分率为xi,则有粒度等于和小于 dpi 的颗粒占全部颗粒的质量分率 混合颗粒粒度分布函数 两函数可相互转换.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金
10、的时间价值混合颗粒的平均直径混合颗粒的平均直径由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大,通常以比表面积相等的原则定义混合颗粒的平均直径 dpm。若密度为p的单位质量混合球形颗粒中,粒径为dpi的颗粒的质量分率为xi,则混合颗粒的比表面为 比表面相等对于非球形颗粒,按同样的原则可得 也可用质量平均求混合颗粒的平均直径.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值床层的空隙率、自由截面和比表面床层的空隙率、自由截面和比表面 床层空隙率 颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比床层自由截面 颗粒床层横截面上可供流体流通的
11、空隙面积床层比表面 单位体积床层具有的颗粒的表面积.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动,流速的方向与大小时刻变化,一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均匀,另一方面使流体产生相当大的压降。困难:通道的细微几何结构十分复杂,即使是爬流时压降的理论计算也是十分困难的,解决方法:用简化模型通过实验数据关联。简化的机理模型简化的机理模型 .资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这
12、部分资金就是原有资金的时间价值流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管,其总的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。该管组(即床层)的当量直径可表达为 将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直径 deb 的管内流动,床层的压降 p 表达为 u1 流体在虚拟细管内的流速,等价于流体在床层颗粒空隙间的实际(平均)流速。u1 与空床流速(又称表观流速)u、空隙率 的关系.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体通过
13、固定床的压降流体通过固定床的压降 工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达为单位床层高度上的压降 固定床流动摩擦系数康采尼(Kozeny)式:Reb 2床层雷诺数K 康采尼常数,=5.0 康采尼(Kozeny)方程.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 欧根(Ergun)关联式:Reb=(0.17420)可用 A 与 deV 的乘积(A deV)代替 dea。欧根(Ergun)方程.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时
14、间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 当 Reb 2.8(Rep 280(Rep 1000)时,欧根方程右侧第一项可忽略。即流动为湍流时,压降与流速的平方成正比而与粘度无关。.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值固体颗粒流态化固体颗粒流态化(Fluidization)Fluidization)流态化(流化床):颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。流态化过程及流化床操作范围流态化过程及流化床操作范围 流态化过程
15、床层压降及床高变化曲线 初始流态化:临界流化速度 umf 临界空隙率mf 颗粒被气流带出:带出速度 u(=ut)流化床操作范围:临界流化速度 umf 与带出速度之间.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值临界流化速度临界流化速度umf是流化床的特性,是固定床变为流化床的一个转折点。可由实验测定的pb u 曲线得到较准确的值。初始流化时,床层内颗粒群(注意不是单颗粒)所受的曳力、浮力与重力相平衡,即流体通过床层的阻力 pb 等于单位床层面积上颗粒所受的重力与浮力之差 因该状态下床层压降也符合欧根方程,将其与上式
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