接觸式粘性力對(duì)顆粒流態(tài)化的影響機(jī)理研究.pdf

1、INVESTIGATIONONFLUIDIZATIONDYNAMICSOFPARTICLESWITHCONTACTCOHESIVEFORCEADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYMAJi1iangSupervisedbyProfCHENXiao—pingDrLIUDao—yinSchoolofEnergy

2、andEnvironmentSoutheastUniversityAugust2016本論文獲國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51306035)；國(guó)家留學(xué)基金委“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目”；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目；東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金資助摘要摘要流化床反應(yīng)器因其高效的傳熱傳質(zhì)與連續(xù)處理大量顆粒的能力，在不同工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。伴隨著流化床處理對(duì)象與手段的多樣化，顆粒性質(zhì)經(jīng)常發(fā)生改變，其中較為常見的是顆粒間

3、出現(xiàn)以液橋力和固橋力為代表的接觸式粘性力。粘性力的存在降低了顆粒的流動(dòng)性，導(dǎo)致其流態(tài)化行為有別于傳統(tǒng)的無(wú)粘顆粒，從而影響了流化床內(nèi)的反應(yīng)效率以及反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，揭示顆粒間接觸式粘性力對(duì)流化特性的影響規(guī)律和機(jī)理，對(duì)此類流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。但是，相較于無(wú)粘顆粒流態(tài)化豐富且逐漸完善的理論體系，對(duì)于接觸式粘性力的研究仍然較為零散，缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)知。本文基于實(shí)驗(yàn)手段，在顆粒層面和顆粒體系層面上開展了接觸式粘性力對(duì)

4、流態(tài)化的影響機(jī)理研究，旨在加深對(duì)于此類顆粒體系運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)知。全文主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下：(1)顆粒層面上，設(shè)計(jì)并搭建顆粒平板含液膜碰撞系統(tǒng)，其中顆粒與平板間的粘性力通過(guò)調(diào)節(jié)液膜的粘度與厚度實(shí)現(xiàn)：提出采用橫向擾動(dòng)風(fēng)賦予顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)顆粒與覆蓋液膜的有機(jī)玻璃平板進(jìn)行斜向碰撞的目標(biāo)，克服了傳統(tǒng)的傾斜平板法只能應(yīng)用高粘度、低厚度液膜的缺點(diǎn)；借助布置在平板底部的透射光源，清晰地捕捉液膜和液橋幾何形態(tài)的變化，同時(shí)基于圖像處理技術(shù)準(zhǔn)確獲取

5、了顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為顆粒碰撞模型的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程不同，碰撞中液橋的形成和發(fā)展呈現(xiàn)滯后性，而且液體慣性在碰撞中所占的比重越大，滯后效果越明顯。液橋力對(duì)于反彈顆粒在法向方向上的動(dòng)能損耗影響較大，對(duì)切向方向的影響較小。通過(guò)比較顆粒在碰撞全過(guò)程中發(fā)生的能量損耗可以發(fā)現(xiàn)，液橋力造成的動(dòng)能耗損遠(yuǎn)小于其他阻力。在法向方向上，顆粒的能量耗損隨液膜粘度和厚度的增加而增加，隨碰撞速度的增加而減?。辉谇邢蚍较蛏?，能量耗損

6、過(guò)程主要由液膜厚度主導(dǎo)：厚度較大時(shí)，液體主要起阻力作用，而當(dāng)厚度較小時(shí)，液體主要起潤(rùn)滑作用。鑒于液膜厚度在碰撞中的重要作用，本文將其引入，對(duì)傳統(tǒng)的表征碰撞過(guò)程的Stokes數(shù)進(jìn)行修正，并結(jié)合液體彈性動(dòng)力學(xué)理論和經(jīng)典的流體力學(xué)理論首次提出了用于判斷顆粒是否反彈的臨界Stokes數(shù)模型以及用于衡量顆粒動(dòng)能耗損的碰撞恢復(fù)系數(shù)模型，獲得了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。(2)顆粒體系層面上，利用“多聚物涂層”法引入接觸式粘性力，通過(guò)調(diào)節(jié)涂層表面溫度，改變多

7、聚物粘性，實(shí)現(xiàn)控制顆粒間粘性力的目標(biāo)，克服了傳統(tǒng)引入方法粘性力分布不均且復(fù)現(xiàn)性差的缺點(diǎn)，同時(shí)基于圖像處理技術(shù)提取不同粘性力作用下二維可視化鼓泡流化床中氣泡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征參數(shù)。與無(wú)粘顆粒體系相比，粘性力的存在抑制了氣泡在床中段的合并過(guò)程，促進(jìn)了氣泡在床層頂部區(qū)域的分裂過(guò)程。粘性力對(duì)床內(nèi)整體的流化特性呈階段式影響：在粘性力增加的初始階段，乳化相的持氣能力提高，氣泡通過(guò)頻繁的縱向合并從近似圓形過(guò)渡到豎橢圓形，減弱了床兩側(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)致