固液攪拌槽內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)行為及懸浮機(jī)理的研究.pdf

1、固體顆粒在液相流體中的懸浮廣泛存在于自然界及現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，例如泥漿管道輸運(yùn)、河流中的泥沙輸運(yùn)、以固體顆粒為催化劑的多相反應(yīng)體系、結(jié)晶反應(yīng)體系等。以往關(guān)于攪拌反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒懸浮機(jī)理的研究總是關(guān)注大量顆粒在攪拌槽內(nèi)的宏觀動(dòng)力學(xué)行為，然而在顆粒尺度上對(duì)顆粒和局部流體的相互作用機(jī)理研究并不充分。充分認(rèn)識(shí)單顆粒以及基于此基礎(chǔ)上的顆粒群行為，得到較為準(zhǔn)確的介觀尺度上顆粒行為的規(guī)律，并將其正確地應(yīng)用于宏觀尺度的多相流動(dòng)，對(duì)固-液兩相流中涉及到的固

2、-液懸浮操作至關(guān)重要。因此本論文通過實(shí)驗(yàn)和格子玻爾茲曼（Lattice Boltzmann，LB）方法模擬對(duì)攪拌槽內(nèi)單個(gè)固體顆粒的臨界運(yùn)動(dòng)行為及懸浮機(jī)理進(jìn)行了研究，旨在獲得重復(fù)性較高的顆粒動(dòng)力學(xué)行為，為模擬優(yōu)化和模型推導(dǎo)提供參考，從而為系統(tǒng)地研究復(fù)雜攪拌體系內(nèi)的顆粒臨界運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型。
　　采用工業(yè)上固-液懸浮操作使用較廣泛的CBY軸流型槳葉，對(duì)單個(gè)顆粒在湍流流體中的臨界運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了初步探索。實(shí)驗(yàn)獲得了不同槳葉離底高度下

3、單個(gè)顆粒的初始運(yùn)動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速NIN，并采用PIV測(cè)速技術(shù)獲得了臨界轉(zhuǎn)速NIN時(shí)底面附近的單相流場(chǎng);采用LB方法模擬實(shí)驗(yàn)條件下的單相流場(chǎng)特性并估算顆粒受力;最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)單個(gè)顆粒臨界初始運(yùn)動(dòng)行為和懸浮機(jī)理研究方案進(jìn)行了優(yōu)化。
　　根據(jù)優(yōu)化方案，在圓盤槳葉的方形攪拌槽中，以微變形球形單顆粒（在顆粒底面磨出圓平面）在層流流體中的臨界初始運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，采用單相和有限體積顆粒的固-液兩相LB方法對(duì)臨界條件下的顆粒初始運(yùn)動(dòng)進(jìn)

4、行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:(1)球形顆粒的圓平面尺寸影響顆粒的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，球形顆粒的臨界滾動(dòng)轉(zhuǎn)速小于滑動(dòng)轉(zhuǎn)速。銅顆粒（dp=10mm，ρp/ρ=8.60）的臨界平面尺寸介于0.56-0.75mm之間。(2)顆粒初始位置影響顆粒初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向，從槽中心越靠近壁面，顆粒初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由滑動(dòng)過渡為滾動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與徑向夾角逐漸增加。(3)提出了層流攪拌槽內(nèi)單顆粒臨界初始運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，認(rèn)為顆粒和流體雙向耦合作用下的力和力矩決定了顆粒的初始運(yùn)動(dòng)

5、，較僅考慮流體對(duì)顆粒的單向作用的傳統(tǒng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)偏差降低了44.0％。
　　在圓盤槳葉的方形攪拌槽中，以單顆粒在層流中的臨界懸浮運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，采用LB方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下顆粒的臨界懸浮過程進(jìn)行了直接模擬，顆粒和槳葉表面采用浸入式邊界格式。結(jié)果表明:(1)通過不同條件下顆粒的臨界懸浮轉(zhuǎn)速的分析得出層流體系下顆粒懸浮的動(dòng)力和顆粒體積成正比，經(jīng)模擬結(jié)果驗(yàn)證該懸浮動(dòng)力主要由顆粒周圍壓力梯度引起;懸浮動(dòng)力與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系為Fsusp∝