臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)基于稠密顆粒流氣-液-固三相耦合運(yùn)動(dòng)過(guò)程機(jī)理的研究.pdf

1、臥式螺旋離心機(jī)是工業(yè)上常用的固液分離設(shè)備，其基本原理是利用離心力和螺桿軸向推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)密度不同的液固兩相的分離。該設(shè)備具有自動(dòng)化程度高，能夠無(wú)人值守連續(xù)性生產(chǎn)的特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。在臥螺離心機(jī)正常工作過(guò)程時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)存在氣-液-固三相流中各相之間耦合運(yùn)動(dòng)，而現(xiàn)有的兩相流理論無(wú)法準(zhǔn)確描述氣-液-固多相顆粒流在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，使離心機(jī)的固液分離理論不能滿(mǎn)足實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)需求。因此，本文基于歐拉模型理論體系，建立能夠用于多相流的曳力模型，

2、在螺旋線(xiàn)坐標(biāo)下構(gòu)建臥螺離心機(jī)數(shù)學(xué)模型，分析固液兩相在離心機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究在不同操作條件下顆粒流在離心機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出離心機(jī)出口物料含水率的預(yù)測(cè)方程，為離心機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
　　基于顆粒流運(yùn)動(dòng)理論，本文完善了稠密顆粒運(yùn)動(dòng)本構(gòu)方程以描述在離心機(jī)工作過(guò)程中固相顆粒在其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)行為。通過(guò)在傳統(tǒng)稠密顆粒流固相摩擦壓力方程中提出了新的壓力常數(shù)，在固相摩擦黏度方程中添加顆粒碰撞摩擦黏度方程和滯后運(yùn)動(dòng)

3、方程，并提出了新的流體湍流與顆粒碰撞對(duì)擬熱動(dòng)能源項(xiàng)模型以封閉顆粒擬熱動(dòng)能平衡方程，完善了稠密顆粒運(yùn)動(dòng)本構(gòu)方程。并通過(guò)顆粒擬靜態(tài)堆積實(shí)驗(yàn)和稠密顆粒流剪切力運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該本構(gòu)方程對(duì)模擬稠密顆粒流運(yùn)動(dòng)行為的可靠性。應(yīng)用建立的稠密顆粒流運(yùn)動(dòng)模型方程，研究了顆粒群擬靜態(tài)堆積和剪切力運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)性質(zhì)的變化。
　　針對(duì)現(xiàn)有連續(xù)相-分散相的兩相流曳力理論模型，無(wú)法模擬臥螺離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程中氣-液-固三相并行存在的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文建立了新的多相

4、流流體力學(xué)耦合計(jì)算模型（TCP理論模型）用以模擬氣-液-固三相間的耦合運(yùn)動(dòng)行為關(guān)系。根據(jù)臥螺離心機(jī)內(nèi)氣相和液相的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在該模型中，氣相和液相按照體積分?jǐn)?shù)加權(quán)的形式組合為一個(gè)新的虛擬連續(xù)相，進(jìn)而將氣-液-固多相流體系簡(jiǎn)化為虛擬連續(xù)相-分散相的多相流體系。將原有的氣-液-固三相間復(fù)雜的曳力作用行為簡(jiǎn)化為兩部分：一是虛擬連續(xù)相與分散相之間的曳力作用；二是虛擬連續(xù)相內(nèi)部的動(dòng)量分配過(guò)程。通過(guò)氣-液-固三相鼓泡床實(shí)驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明

5、TCP理論模型有效的簡(jiǎn)化了數(shù)值模型中的各個(gè)相間復(fù)雜的曳力耦合計(jì)算過(guò)程，在非均勻性相分布體系中實(shí)現(xiàn)了有效平滑的從多相流流動(dòng)到單相流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的過(guò)渡，提高了計(jì)算精度。采用TCP理論模型，對(duì)三相鼓泡床中的氣相、固相和液相的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬研究，討論這三相流體之間的運(yùn)動(dòng)耦合性質(zhì)及其相互作用關(guān)系。
　　采用本文完善的稠密顆粒流運(yùn)動(dòng)本構(gòu)方程和提出的TCP理論模型，在螺旋運(yùn)動(dòng)參考系下建立了臥螺離心機(jī)數(shù)值模型，用以描述離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺桿的相對(duì)運(yùn)<

6、br>　　動(dòng)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)混合物料運(yùn)動(dòng)的作用規(guī)律，并通過(guò)臥螺離心機(jī)污泥脫水實(shí)驗(yàn)的研究驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型對(duì)于臥螺離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模擬的可靠性。在此基礎(chǔ)上，本文分析了固相和液相在離心機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)理，當(dāng)固液兩相在離心力作用下按照密度差在離心機(jī)內(nèi)部分層后，這兩相在離心機(jī)軸向推動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化：由于固相顆粒群與離心機(jī)內(nèi)壁面具有較大的摩擦作用，其所受到離心機(jī)的剪切作用較強(qiáng)，因此固相運(yùn)動(dòng)速度隨離心機(jī)內(nèi)壁面的推動(dòng)作用逐漸增加，固相的運(yùn)動(dòng)方向亦隨之在離

7、心機(jī)筒段內(nèi)發(fā)生折返；與之相對(duì)，由于液相的黏度較小，其所受到的離心機(jī)的剪切作用較弱，因此液相的運(yùn)動(dòng)方向較難發(fā)生變化。固相顆粒在進(jìn)入離心機(jī)后會(huì)向離心機(jī)的小端方向運(yùn)動(dòng)，而液相則從離心機(jī)的大端處溢流而出。所以固液兩相在離心機(jī)軸向方向按照彼此所受到的剪切作用的強(qiáng)弱，這兩相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。通過(guò)研究不同操作條件下離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)行為，得到了離心力和軸向推力對(duì)固相和液相在離心機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。針對(duì)在離心機(jī)不同操作條件下固相和液相在離心