第七章 颗粒流体力学
颗粒流体动力学的模拟和预测方法
颗粒流体动力学的模拟和预测方法颗粒流体动力学（DPM）是一种利用数值模拟方法研究颗粒物和流体相互作用的技术，也是一种颗粒物在流体中行为的模拟和预测的方法。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，颗粒流体动力学在许多工业应用领域得到了广泛的应用，如化工、制药、食品加工，以及碳排放减排等。
本文将介绍颗粒流体动力学的模拟和预测方法。
一、颗粒流体动力学的定义颗粒流体动力学是一种涉及颗粒流体的微观、宏观物质力学方面的新兴科学。
它通过离散元数值计算与连续流体动力学方程的求解来实现颗粒物质运动状态的模拟和预测。
二、颗粒流体动力学的基本原理颗粒流体动力学的基本假设是颗粒粒子之间的距离比颗粒直径要远，因此可以认为在微观尺度下，颗粒粒子之间不存在压缩性。
采用离散元数值计算与连续流体动力学方程的求解法，通过计算颗粒粒子间的相互作用力，来模拟颗粒流体力学现象。
三、颗粒流体动力学的模拟方法颗粒流体动力学的模拟方法可以分为两种类型，一种是使用拉格朗日方法，即由颗粒粒子来表示颗粒流体的运动状态；另一种是使用欧拉方法，即通过流体体积元来表示颗粒流体的运动状态。
四、颗粒流体动力学的预测方法颗粒流体动力学的预测方法主要包括了颗粒物质的输送预测和颗粒物质的沉积预测两种。
颗粒物质的输送预测能够帮助工程技术人员确定颗粒物的最终运动路径，从而保证颗粒物质在生产过程中稳定运行。
颗粒物质的沉积预测则主要用于预测颗粒物质在资产的运动过程中产生的磨损和破坏。
五、颗粒流体动力学的应用颗粒流体动力学的应用领域非常广泛。
在制造业领域，颗粒流体动力学技术被广泛用于分散、混合和包覆颗粒物质。
在食品加工业领域，颗粒流体动力学技术被用于设计和优化离子交换器和膜过滤器。
在石油和化学工程领域，颗粒流体动力学技术被用于优化生产过程，从而增加产量和效益。
最近，颗粒流体动力学技术也用于减缓碳释放和在减排过程中提高燃料利用率。
六、颗粒流体动力学的未来发展颗粒流体动力学将成为未来的研究热点之一，其深入研究将有助于人类更好地利用颗粒物质，进一步推进工业和技术进步。
胶体颗粒流体力学性质测试与分析
胶体颗粒流体力学性质测试与分析胶体颗粒流体力学性质测试与分析是一项研究胶体颗粒在流体中运动和相互作用的科学领域。
胶体颗粒是直径在1纳米至1微米范围内的分散颗粒，常见的胶体包括胶体溶液、乳液和胶体凝胶等。
研究胶体颗粒的流体力学性质对于理解和控制胶体系统的行为具有重要意义。
在胶体颗粒流体力学性质测试中，常用的实验方法包括粘度测量、流变学测试和光学显微镜观察等。
首先，粘度测量是衡量流体内部阻力的一种方法。
对于胶体颗粒流体，粘度测量可以揭示胶体颗粒与流体之间的相互作用力。
常见的粘度测试方法有旋转式和振荡式粘度计。
通过测量流体在旋转或振荡状态下的阻力，可以计算出粘度值，从而了解流体的黏稠程度。
对于含有胶体颗粒的流体样品，通过测量不同浓度下的粘度可以研究胶体颗粒的相互作用及其对流体流动性质的影响。
其次，流变学测试是研究流体力学性质的重要方法之一。
通过在胶体颗粒流体中施加剪切力，可以得到流体应力与变形速率之间的关系，即流变曲线。
通过流变学测试可以计算出流体的流变参数，如剪切粘度、动力学粘度和弹性模量等。
这些参数能够反映胶体颗粒流体的流动行为，包括粘弹性和流动阻力等特性。
最后，光学显微镜观察是一种直接观察胶体颗粒的方法。
通过使用显微镜对胶体溶液或乳液进行观察，可以研究颗粒的形态、大小和分布等信息。
此外，光学显微镜还可以用于研究胶体颗粒的动力学行为，例如颗粒的聚集和沉降速度等。
通过光学显微镜观察，可以了解胶体颗粒在流体中的运动行为，从而揭示胶体溶液或乳液的稳定性和性质。
在进行胶体颗粒流体力学性质测试的同时，还需要对实验结果进行综合分析。
通过对粘度测量、流变学测试和光学显微镜观察结果的分析，可以得到更全面的胶体颗粒流体力学性质的信息。
例如，通过比较不同浓度下的粘度与流变学参数，可以研究胶体颗粒的浓度依赖性和聚集行为。
此外，通过对粘度和流变参数的变化趋势分析，可以了解胶体颗粒流体的结构演化过程及其对应的动力学特征。
总之，胶体颗粒流体力学性质测试与分析是研究胶体系统行为的重要手段。
7粉体工程-颗粒流体力学及设备
v小
层流
v上
（c）色线破裂扩散 ）
v下过渡流
v 大紊流
v大
影响流体流动类型的因素，除了流体的流速 u外，还有管径d、流体密度ρ和流体的粘度µ。u 、d、 ρ越大，µ越小，就越容易从层流变为湍流 。雷诺得出结论：上述四个因素所组成的数群 duρ/ µ ，是判断流体流动类型的依据。该数群 称为雷诺数 雷诺数，用Re表示。 雷诺数
0.01 ～ 0.1
4.5 空气输送斜槽 （1）工作原理
空气输送斜槽是利用空气使固体颗粒在流态化的 状态下沿着斜槽向下流动的输送设备。 这种输送方式属于气—固密相输送，在建材、化 工、轻工等部门广泛应用。
（2）结构 1）结构特点 结构特点
a.空气输送斜槽的规格是以槽宽(B)毫 米数表示，主要规格有250、400、 500、600几种。 b.因上槽是物料和空气通路，而下槽 只通空气，所以上槽较高，下槽较矮。 c.为了防止上下槽连接处渗入雨水， 上槽带有防水边，为了防止槽体连接 处渗入雨水，设置了角钢防水盖。
输送方式 气力 输送 机械输送
稀 相
密相栓 带 式 输 振 动 输 斗式提 螺 旋 送机 流 送机 升机 输 送 机
压 送 吸送 式 式
功率消耗 kW·h/(t·m )
0.002 ～ 0.3
0.03 ～ 1.0
0.001 ～ 0.02
0.0003 ～ 0.006
0.002 ～ 0.8
0.003 ～ 0.03
3、颗粒流态化技术基本原理
当流体通过颗粒料或粉料层向上流动时，随 着流体速度、颗粒性质及状态、料层高度和空隙 率等因素的不同，会出现各种不同的颗粒流体力 学状态：固定床状态、流（态）化状态和缺陷力 固定床状态、 固定床状态 输送状态。 输送状态
固体颗粒流动中的工程流体力学分析
固体颗粒流动中的工程流体力学分析工程流体力学是研究流体在各种工程应用中的力学性质和行为的学科。
而固体颗粒流动则是指在流体中含有固体颗粒的流动现象。
固体颗粒流动广泛应用于矿山、冶金、化工、环境等领域，如颗粒输送、颗粒沉降、颗粒分离等。
在这样的工程应用中，对固体颗粒流动的工程流体力学分析显得尤为重要。
固体颗粒流动中的工程流体力学分析主要集中在以下几个方面：粒子间相互作用力的研究、流态转换现象的分析、表观粘性的测定和颗粒流体力学模型的建立。
首先，粒子间相互作用力的研究是固体颗粒流动工程流体力学分析的基础。
颗粒间相互作用力是指颗粒之间的相互作用力，它对颗粒流动的流态转换和整体行为有着重要影响。
常见的颗粒间相互作用力有静电作用力、重力作用力、摩擦作用力等。
通过分析和测定不同颗粒间的相互作用力，可以更好地理解固体颗粒流动的力学特性。
其次，流态转换现象在固体颗粒流动工程流体力学分析中也具有重要意义。
流态转换是指颗粒流变从一个状态向另一个状态的转变，如从均匀悬浮状态到组团状态的转变。
在颗粒流动中，流态转换通常伴随着颗粒形态和分布的变化，对颗粒流动的规律性和可控性产生重要影响。
因此，研究流态转换现象是深入理解固体颗粒流动工程流体力学的关键之一。
第三，表观粘性的测定是固体颗粒流动工程流体力学分析的重要内容之一。
表观粘性是指在颗粒流动中，颗粒间的运动和相互作用所表现出的流体粘性特性。
颗粒流动中的表观粘性可以通过测定流态转换速率和特定流态条件下颗粒的运动速度来进行评估。
准确测定表观粘性可以帮助研究者更好地了解颗粒流动的粘滞特性，为工程应用提供参考依据。
最后，颗粒流体力学模型的建立是固体颗粒流动工程流体力学分析的重中之重。
通过建立合理的颗粒流动模型，可以对颗粒的运动、分布、流态转换等行为进行定量分析和预测。
常用的颗粒流体力学模型有离散元模型、连续介质模型等。
这些模型可将固体颗粒流动问题转化为数学形式，利用计算机数值方法对问题进行求解和模拟，为颗粒流动工程提供技术支持。
第七章 颗粒流体力学讲解
4
• 过渡区（Allen区）
此外用于整个区域 的近似公式为：
4.8 C 0.63 Re p
• 流区
10 1 Re p 500 C Re p
5
500 Re p 2 10 C 0.44
颗粒在流体中的运动
• 颗粒运动时的阻力：Newton阻力定律
u Fd C A 2
2
u Fd CD 4 2
2 p
Fd-流体阻力，u-颗粒与流体的相对速度，A-颗粒的 迎流面积，-流体的密度，C-阻力系数，Dp-球形颗 粒的粒径。Ut-颗粒的圆周速度，r-颗粒作圆周运动 的半径。 3 3 • 重力和浮力 Fa D p g Fg Dp p g 6 6
Cw 1 1 Cw K Cw 1 K 1 Cw
K= Cpf Cvf ; Cpp Cpf
颗粒相的Cpp=Cvp=C
• 两相流的热导率：
2 f p 2Cv f p 100
m f
Cv 2 f p f p 100
两相流的基本性质
• 在流动体系中，颗粒的体积、质量和密度分 别为 Vp 、 Mp 和 p ，液体的体积、质量和密度 分别为Vf、Mf和f，则两相流的总质量、总体 积和密度分别为Vp、Mp和m，显然有：
Mm Mp Mf Vm Vp Vf
体积浓度Cv：固 体颗粒的体积占 两相流总体积的 分数。
• 颗粒在流体中的运动服从牛顿第二定律 • 重力沉降：假定颗粒为球形且颗粒在运动过程中， 相互之间无任何干扰和影响，即属于自由沉降，则 最大沉降速度为：
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
条件
流体中颗粒的受力分析
颗粒形状 球形颗粒 椭圆形颗粒 长短轴比为2：1
长短轴比为6：1
C值大小 0.5 0.2
0.045
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
结论：可以看到:在小雷诺数下， 如Re=1时,CL的量级为0.55左右， 而当Re>5之后， CL几乎等于零， 且在Re=80时CL略小于0。也就 是，Saffman力的作用方向与小 雷诺数时相比完全改变了方向。 通过对计算结果的分析发现.引 起Saffman力方向变化的原因主 要在于Saffman升力中粘性力与 压力在Re=1时均为正值，而当 Re增大时，粘性力转变为负值， 且造成升力方向的转变。
流体中颗粒的受力分析
1.重力 2.浮力 3.气动阻力 4.压力梯度力 5.附加质量力 6.Magnus（马格努斯）力 7.Basset（巴塞特）力 8.Saffman（萨夫曼）升力
流体中颗粒的受力分析
描述对象： 1）球体颗粒
2）非球体颗粒（圆柱体颗粒）*
流体中颗粒的受力分析
流体中颗粒的受力分析
粒子运动研究颗粒在流体中的运动和受力情况
粒子运动研究颗粒在流体中的运动和受力情况粒子运动研究：颗粒在流体中的运动和受力情况在科学研究领域中，颗粒运动是一个重要的课题。
颗粒在流体中的运动和受力情况对于理解物质的宏观性质以及许多实际应用具有重要的意义。
本文将介绍有关颗粒在流体中运动和受力的研究成果，并探讨其应用前景。
一、流体中的颗粒运动现象颗粒在流体中的运动受到流体环境的影响，其运动规律复杂多样。
根据颗粒与流体之间相互作用的特点，颗粒在流体中运动主要分为扩散、沉降、悬浮等几种常见现象。
1. 扩散：扩散是指颗粒在流体中由于热运动而发生的无规则扩散。
颗粒在流体中扩散的速度与其粒径大小、流体的温度、浓度梯度以及颗粒形状等因素有关。
2. 沉降：当颗粒位于流体中时，会受到重力和阻力的作用。
较大的颗粒由于重力的作用，会向下沉降。
沉降的速度与颗粒的大小、密度、流体的黏性以及流体中的其他粒子相互作用等因素有关。
3. 悬浮：当颗粒的密度与流体的密度接近或相同时，颗粒可以悬浮在流体中。
在某些特定的情况下，颗粒与流体之间会存在浮力的作用，使得颗粒能够悬浮在流体中。
悬浮的稳定性取决于颗粒的大小、密度、流体的密度以及流体中其他粒子的相互作用等因素。
二、颗粒在流体中的受力情况颗粒在流体中的运动受到多种力的作用，包括浮力、重力、阻力、颗粒间相互作用力等。
这些力相互作用，决定了颗粒在流体中的运动轨迹和速度。
1. 浮力：当颗粒的密度小于流体的密度时，颗粒受到的浮力会使其向上浮升。
浮力的大小与颗粒的体积、流体的密度以及颗粒与流体之间的相互作用有关。
2. 重力：重力是影响颗粒运动的另一个重要因素。
颗粒受到重力的作用会向下沉降或下沉。
重力的大小与颗粒的质量有关。
3. 阻力：颗粒在流体中运动时，会受到来自流体的阻力。
阻力的大小与颗粒的形状、速度以及流体的黏性有关。
4. 颗粒间相互作用力：当多个颗粒同时存在于流体中时，颗粒之间会相互作用。
这种相互作用力可以是引力或斥力，影响颗粒间的距离和排列形态。
流体动力学中的颗粒-粒子流动
流体动力学中的颗粒-粒子流动导言流体动力学是研究流体力学和动力学性质的科学分支。
在流体动力学中，颗粒-粒子流动则是一个重要的研究方向。
颗粒-粒子流动是指在流体中存在着一些离散的颗粒或粒子，在流体的作用下发生运动和相互作用的现象。
颗粒-粒子流动广泛应用于颗粒物料输送、颗粒物料分散、颗粒物料混合等领域。
颗粒-粒子流动的基本概念在流体动力学中，颗粒-粒子流动指的是由流体中的颗粒或粒子组成的流动体系。
颗粒-粒子流动体系不仅包括了流体的流动特性，还包括颗粒或粒子的运动和相互作用。
在颗粒-粒子流动体系中，流体与颗粒或粒子之间存在着复杂的相互作用力，如颗粒-粒子之间的接触力、流体对颗粒或粒子的拖曳力等。
颗粒-粒子流动体系的运动和相互作用规律受到多个因素的影响，包括颗粒或粒子的物理性质、流体的性质以及流动条件等。
颗粒-粒子流动体系的运动可以分为两个方面，一是颗粒或粒子相对于流体的运动，二是颗粒或粒子间的相互作用。
颗粒-粒子流动体系的相互作用力包括接触力、摩擦力、颗粒或粒子对流体的扰动力等。
颗粒-粒子流动的研究方法研究颗粒-粒子流动的方法有多种，包括实验方法、数值模拟方法和理论分析方法等。
实验方法是最直接的研究颗粒-粒子流动行为的方法，通过设计合适的实验装置和测量手段，可以获得颗粒-粒子流动的实际情况。
数值模拟方法则通过建立颗粒-粒子流动的数学模型，利用计算机进行数值求解，得到流体和颗粒或粒子的运动和相互作用的信息。
理论分析方法则是从理论角度出发，通过对颗粒-粒子流动体系的基本方程进行推导和分析，来揭示颗粒-粒子流动的规律和特性。
在实验方法中，常用的手段包括粒子追踪技术、颗粒图像测速技术等。
粒子追踪技术通过跟踪颗粒或粒子的运动轨迹来获得颗粒-粒子流动的信息。
颗粒图像测速技术则是利用高速相机对流体中的颗粒或粒子进行拍摄，然后根据图像处理技术来获得颗粒-粒子流动的速度和位置信息。
数值模拟方法是研究颗粒-粒子流动的重要手段之一，可以对流体动力学和颗粒或粒子运动进行数值计算，揭示流体和颗粒或粒子的运动规律。
流体动力学中的颗粒流动研究
流体动力学中的颗粒流动研究1. 引言流体动力学是研究流体运动规律的一门学科。
在流体动力学中，颗粒流动是一个重要的研究领域。
颗粒流动是指固体颗粒在流体中的运动过程，广泛应用于工程领域，如粉体冶金、环境工程、生物工程等。
研究颗粒流动对于提高工程领域中的生产效率，减少能源消耗具有重要意义。
本文将从颗粒流动的基本原理、数值模拟方法和实验技术等方面探讨流体动力学中颗粒流动的研究进展。
2. 颗粒流动的基本原理2.1 颗粒流动的定义颗粒流动是指在流体中存在大量固体颗粒的流动情况。
颗粒流动的特点是颗粒之间存在相互作用力，并且颗粒与流体之间存在相互作用。
颗粒流动的研究对象主要包括颗粒的运动规律、堆积规律和颗粒与流体之间的相互作用。
2.2 颗粒流动的分类根据颗粒流动过程中颗粒的排列方式和动力学行为，颗粒流动可以分为离散颗粒流动和连续颗粒流动两种情况。
离散颗粒流动是指流体中的颗粒之间存在间隙，并且颗粒之间具有相互作用力。
颗粒在流体中的运动是分离的，并且存在碰撞和摩擦等相互作用。
连续颗粒流动是指流体中的颗粒之间没有间隙，并且颗粒之间的相互作用力可以忽略。
颗粒在流体中的运动是连续的，并且以流体速度为主导。
2.3 颗粒流动的数学描述颗粒流动可以通过欧拉方程和拉格朗日方程进行数学描述。
欧拉方程是基于流体动力学的宏观描述，将流体看作一个连续的介质进行研究。
拉格朗日方程是基于颗粒动力学的微观描述，关注于个别颗粒的运动规律。
3. 颗粒流动的数值模拟方法3.1 离散元法离散元法是一种常用的颗粒流动数值模拟方法，它基于颗粒之间的相互作用力和动量守恒原理，采用离散的数值方法来模拟颗粒的运动过程。
离散元法可以用于研究颗粒在不同流动条件下的堆积、分散、流动和输运等过程。
3.2 欧拉-拉格朗日方法欧拉-拉格朗日方法是将欧拉和拉格朗日方程耦合起来，通过求解欧拉方程来获得流场信息，再通过求解拉格朗日方程来获得颗粒动力学信息。
这种方法可以考虑颗粒与流体之间的相互作用，适用于研究颗粒在复杂流动环境中的运动特性。
流体力学中的纳米颗粒分析
流体力学中的纳米颗粒分析引言纳米颗粒是一种具有极小尺寸的微粒，其尺寸范围在1到100纳米之间。
由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米颗粒在物理、化学、生物学和材料科学等领域具有重要的应用价值。
流体力学是研究流体运动及其与力的关系的学科，而流体力学中的纳米颗粒分析则是探索纳米颗粒在流体中的行为与性质的重要研究方向。
本文将回顾流体力学中的纳米颗粒分析的相关理论、方法和应用，并展望未来的研究发展方向。
纳米颗粒在流体中的行为纳米颗粒在流体中的运动行为受到多种因素的影响，包括流体性质、纳米颗粒的尺寸、形状和表面性质等。
其中最重要的因素之一是纳米颗粒与流体之间的相互作用力。
常见的纳米颗粒与流体之间的相互作用力有静电力、浮力、黏滞阻力和布朗力等。
这些作用力的大小和方向直接影响纳米颗粒在流体中的受力情况和运动轨迹。
纳米颗粒在流体中的行为可以分为三种主要形态：扩散、输运和聚集。
扩散是指纳米颗粒在流体中的随机热运动，其运动路径呈现无规则的布朗运动。
输运是指纳米颗粒在流体中受到外部力的作用而在流体中产生有向的移动。
聚集是指纳米颗粒之间的相互作用力导致其聚集成团或形成有序结构。
纳米颗粒的扩散、输运和聚集行为对于纳米颗粒在流体中的分散状态、扩散速率和沉降速率等具有重要影响。
流体力学中的纳米颗粒分析方法流体力学中的纳米颗粒分析方法可以分为实验方法和数值模拟方法两大类。
实验方法实验方法是通过实际实验观测纳米颗粒在流体中的行为以及测量其相关物理量来进行分析。
常用的实验方法有激光光散射、动态光散射、扫描电子显微镜和原子力显微镜等。
激光光散射是一种基于光的散射原理测量纳米颗粒尺寸和分布的方法，可以用来研究纳米颗粒的扩散和聚集行为。
动态光散射可以用来测量纳米颗粒的输运行为和流体中纳米颗粒的浓度分布。
扫描电子显微镜和原子力显微镜则可以用来观察纳米颗粒的形貌和表面结构。
数值模拟方法数值模拟方法是通过建立纳米颗粒在流体中的数学模型，利用计算机模拟纳米颗粒在流体中的行为。
流体力学中的细小颗粒流行为研究
流体力学中的细小颗粒流行为研究流体力学是研究液体和气体运动规律的学科，而细小颗粒流行为研究则是在流体力学范畴内，关注在流体中存在的微粒（如颗粒、颗粒物、颗粒悬浮、颗粒流等）的动态行为和相互作用。
细小颗粒流行为的研究有助于理解许多自然和工程现象，并在多个领域中有重要的应用。
本文将介绍流体力学中细小颗粒流行为的研究方法、理论基础和应用案例。
1. 引言作为流体力学的一个重要研究领域，细小颗粒流行为研究自20世纪初以来就吸引了众多科学家和工程师的兴趣。
这里的细小颗粒通常指的是直径小于1mm的颗粒，例如粉尘、颗粒物、细胞等。
在实际应用中，细小颗粒的流行为涉及到多个学科，包括物理学、化学、生物学、环境科学、材料科学等。
通过研究细小颗粒在不同流体环境下的行为，我们可以深入理解颗粒动力学和相互作用规律，进而为各个领域中的实际问题提供解决方案。
2. 细小颗粒流行为研究方法研究细小颗粒流行为需要一系列的研究方法，例如实验观测、数值模拟和理论分析等。
2.1 实验观测实验观测是研究细小颗粒流行为的基础手段之一。
通过实验，我们可以获取颗粒的运动轨迹、速度、密度等信息，并进一步探究颗粒的运动规律。
实验观测可以使用不同的设备和技术，例如高速摄像机、光学显微镜、激光技术、粒子图像测速仪等。
通过这些设备和技术，研究者可以实时观测颗粒在不同流体环境中的行为，并对实验结果进行详细的分析和解读。
2.2 数值模拟数值模拟是近年来在细小颗粒流行为研究中得到广泛应用的方法之一。
通过建立适当的数值模型和计算方法，可以模拟出颗粒在流体中的运动过程，并得到运动轨迹、速度分布、流场特征等信息。
数值模拟方法包括离散元方法、多尺度模拟方法、计算流体力学方法等。
这些方法可以根据具体问题的需要选择适当的模型和算法，进而研究细小颗粒在流体中的行为。
2.3 理论分析除了实验观测和数值模拟，理论分析也是研究细小颗粒流行为的重要方法之一。
通过建立适当的理论模型和数学方程，可以对颗粒的运动规律进行推导和分析。
微观颗粒流体力学模拟的技术研究
微观颗粒流体力学模拟的技术研究微观颗粒流体力学是一种十分重要的研究领域，在许多领域中都有着广泛的应用。
它能够对复杂非线性系统的运动情况进行描述，以及研究流体的流动、化学反应、传热、扩散、粘度等物理特性，对物理、化学、生物等多个领域的研究有着重要影响。
微观颗粒流体力学的模拟技术是实现研究的基础。
近年来，随着计算机性能不断提升，微观颗粒流体力学模拟的技术也得以不断发展。
本文将对微观颗粒流体力学模拟的技术进行一定的探讨。
一、离散元法离散元法是一种应用较为广泛的微观颗粒流体力学模拟技术。
这种方法是通过离散化的方式，将流体和颗粒看做离散的实体进行计算。
在离散元法中，每个颗粒都是相互独立的，并且只与相邻颗粒进行相互作用。
在模拟计算时，计算机会根据颗粒间的相互作用力，计算每个颗粒的位移、速度和角速度等信息。
由于离散元法能够较为准确地模拟流体颗粒间的相互作用，因此在研究流体流动、颗粒运动等方面广泛应用。
二、分子动力学方法分子动力学方法在微观颗粒流体力学模拟中也有着重要作用。
这种方法模拟物质中原子之间的相互作用和运动规律，其核心是对分子间力的计算和分子间作用力的模型化。
在分子动力学方法中，物质粒子被视为质点，以此简化模型的复杂性。
在计算时，计算机会根据粒子间作用力对每个质点的速度和位置进行迭代计算。
由于分子动力学方法能够模拟分子间的相互作用和动力学过程，因此广泛应用于物理、化学、生物等多个领域的研究中。
三、格子气方法另一种微观颗粒流体力学模拟技术是格子气方法。
这种方法是通过建立格子模型，将物质分为一个个输运单元，从而模拟物质的运动规律。
在格子气方法中，计算空间被划分为一定数量的格子，每个格子代表一定的物理量，比如质量、能量等。
在模拟计算时，计算机会根据格子内质量、能量等变化，计算每个格子在时间上的演化变化。
由于格子气方法具有计算量小、模拟准确度高等优点，因此越来越多地应用于流体动力、热力学等领域的研究。
四、多尺度模拟在微观颗粒流体力学模拟中，多尺度模拟是一种十分重要的技术。
第七章 颗粒流体力学
• 存在状态不同的多相物质共存于同一流动体 系中的流动称为多相流。 • 它具有以下特点：
• 颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律各异； • 由于固体颗粒与液体介质的运动惯性不同，因而颗 粒与液体介质存在着运动速度的差异-相对速度； • 颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互碰撞和摩擦对运 动有较大影响，并且这种摩擦和碰撞会产生静电效 应； • 在湍流条件下，气流的脉动对颗粒的运动规律以及 颗粒的存在对气流的脉动速度均有相互影响； • 由于流场中压力和速度梯度的存在、颗粒形状不规 则、颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互作用等原因， 会产生颗粒的旋转，从而产生升力效应。
• 两相流的黏度：两相流中颗粒浓度不大时，其黏度 与流体近似。当颗粒浓度增大时，其黏度也随之增 大。 A.Einstein提出了如下两相流黏度计算式：
µm =
1 − 0.5Cv
(1 − Cv )
2
×µf
• 两相流的比热容 • 定压比热容： • 定容比热容：
Cpm = Cpp C w + Cpf (1 − C w )
• 缺点： 1.动力消耗大，特别是短距离输送时非常明显； 2.需配备压缩空气系统； 3.不宜输送黏附性强的物料及颗粒大于30mm的 物料。 • 气力输送系统可分为吸送式、压送式或两种 方式相结合三种。
气力输送系统的主要参数
• 输送管内的风速：由于气力提升泵为低压输 送，故用风量较大，最佳风速为16～20m/s, 而螺旋泵和仓式泵为高压输送，风速为12～ 16 m/s即可。也可用下式计算：
• 气力输送：当流体的速度增大到与颗粒的自 由沉降速度相当时，固体颗粒开始被流体带 出，这时的流体速度称为最高流化速度。从 此时开始，流速越大，带出的颗粒也越多， 系统空隙率越大，压降减小，颗粒在流体中 形成稀相悬浮态，并与流体一起从床层中吹 出，该状态称为气力输送状态。这一阶段可 认为床层高度膨胀至无限大，空隙率接近１ ００％，此时系统中固体浓度降低得很快， 使原来流化床中的气体与固体间的摩擦损失 大大降低，从而使总压降显著减小。气固系 统的流化床为聚式流化态，固液系统的流化 态为散式流化态。
流体中颗粒运动
在湍流中，颗粒的扩散系数可以近 当d和ρP的分布很小，那么浓度C似地认为与溶解态物质相等；在层 可表示为C=ρP（π/6）d3n 流状态下，颗粒的扩散与颗粒物本 身的大小有关
2流体颗粒自由沉降和沉降速度
Weight = -ρPg(π/6)d3 Buoyancy =ρFg(π/6)d3 Drag= -(1/2)ρFCD(π/4)d2wP|wP|
4例题与解答
例题1 分别求直径为0.1mm和1mm的石英砂的沉降速度
石英砂的密度为2600kg/m3，水的密度和运动粘度(ν)分别为1000 kg/m3和10-6m2/s，
(1) 假设ReP< 1， wP=gd2(ρP-ρF)/18νρF=9x10-5ms-1 检验假设是否正确ReP=wPd/ν=9x10-4<<1 (2)假设ReP<1， wP=gd2(ρP-ρF)/18νρF=9x10-1ms-1 检验假设ReP=wPd/ν=900>>1，所以不是蠕动流 由估测的ReP=900来估测CD， 可求得CD=0.47，wP=0.2ms-1 ,故得到ReP1=200 迭代法 猜想的ReP=900与ReP1=200不相等，用ReP1代替， 则CD=0.67wP=0.17ms-1，得到ReP2=170 猜想的ReP1=200与ReP2=170不相等，用ReP2代替， 则CD=0.71wP=0.17ms-1，得到ReP3=170，ReP2 = ReP3 当得到的ReP与猜想的ReP相差在10%以内时，就可以停止，近似认为相等
4例题与解答
上图显示了污水流经该沉降池的过程，灰色部分显示含颗粒物的水层， 由图中可以看出，若出水口一直延伸到灰色与池底相交之外，移除率可 达100%。
目录
1 引言
流体中的 颗粒运动
颗粒在流体中的运动
d 2v 2 ρ
当介质Ｒe＝25~103
介质阻力公式的通式
FD = ϕd 2 v 2ρ
ψ为阻力系数，与雷诺数 有关的无因此参数。
4.4 颗粒在介质中的自由沉降
颗粒在静止介质中的自由沉降
球形颗粒在介质中沉降时，主要受重力、介质 的浮力和介质的阻力作用，因而其运动方程为： 式中Ｇ ０ 为颗粒在介质中的有效重力，即重力 与介质浮力之差；m为颗粒质量，dv/dt为颗粒 运动加速度。 在颗粒沉降开始时，Ｇ０＞ＦＤ，颗粒加速沉降 ，随着沉降速度加快，介质阻力Ｆ Ｄ 不断增大 ，当颗粒沉降达到某一速度时重力Ｇ ０ 与阻力 Ｆ Ｄ 达到相等，这时颗粒达到均速沉降，此时 的沉降速度称为沉降末速 沉降末速，以v０表示。由平衡 沉降末速 条件，Ｇ０＝ＦＤ
4.4 颗粒在介质中的自由沉降
颗粒在垂直上升或下降介质流中的运动
当介质以速度ua 作上升运动时：颗粒的绝 对运动速度v0a应写成为：v0a=v0－ua， 当v0<ua时，颗粒被介质推动向上运动； 当v0>ua 时，颗粒以低于在静止介质中的 沉降末速向下运动； 当v0=ua 时，绝对速度和颗粒在介质中所受的力
密度――物体单位体积的质量
介质的性质
介质的密度 介质的粘性
悬浮液的密度是固体颗粒（加重质）和分散介质密度的加权 平均值 ρsn＝λδ＋（1－λ）ρ＝λ（δ－ρ）＋ρ 单位体积内物体所具有的重量叫重度，γ。
物体在介质中的 重力
液体的粘性是由分子间的引力所引起的，均质介质的粘性作 用力服从牛顿内摩擦定律。 物体在介质中的重力等于物体在真空中的重量减去介质对它 的浮力：
V0 = 54.5
δ −ρ 2 = k 1 d 2 (δ − ρ ) µ d
δ −ρ = k 2 [ d (δ − ρ )]1 / 2 ρ
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加热、冷却和分离过程； 7. 可方便地实现集中、分散、大高度、长距离及各种
地形的输送。
• 缺点：
1.动力消耗大，特别是短距离输送时非常明显；
2.需配备压缩空气系统；
3.不宜输送黏附性强的物料及颗粒大于30mm 的物料。
• 气力输送系统可分为吸送式、压送式或两种 方式相结合三种。
u ue
u
L Le
3
k0Sv2 12
p
L
• 式中：k0为取决于通道断面形状的常数； L/Le为弯曲率
• 透过流动的应用： • 颗粒层过滤除尘器：含尘气体通过颗粒层
时，其中的颗粒被阻留在颗粒层中； • 固定床热交换器 • 流体透过法测定粉体的比表面积
颗粒的悬浮运动
• 当流体通过颗粒料或粉料层向上流动时，随着 流体速度、颗粒性质及状态、粉料高度和空隙 率的不同，会出现各种不同的颗粒流体力学状 态：
• 定容比热容：
C v m C v p C w C v f 1 C w
• 式中，Cpp和Cpf分别为颗粒颗粒相和液体相的定压 比热容，Cpf和Cvf分别为颗粒相和液体相的定容比 热容。
两相流的比热容之比：两相流的定压比热容与 定容比热容之比，其表达式为：
C pm C pp C w C pf 1 C w C vm C vm C w C vf 1 C w
m Mp Mp
Ma Qa
• 式中，Mp-物料的流量，Qa-空气的流量， -空气的密度。
• 提高固气比是降低输送能耗的重要途径之 一，气力输送方式不同，固气比也不同。
• 空气消耗量：当选定气力输送方式并确定 输送量之后，空气消耗量即可算出。
• 输送系统阻力：输送系统阻力即系统压力 损失，包括供料装置压力损失、物料加速 和提升压力损失、公路沿程压力损失、分 离器压力损失等。
• 重力和浮力
Fg
6
D3p p g
Fa
6
D3p g
• 离心力
Fc
6
D3pp
ut2 r
• 压力梯度力：由压力梯度引起的作用力。 • 运动方程 • 阻力系数C-是颗粒雷诺数Rep的函数。
Re p
Dpu
• 球形颗粒沉降情形下，根据颗粒雷诺数的大 小，大致可分成层流区、过渡区和遄流区， 并可按下面的公式近似计算其阻力系数。
1 Cw K 1 Cw
1 Cw K 1 Cw
K=Cpf ; Cpp
Cvf
Cpf
颗粒相的Cpp=Cvp=C
当Cw大于0.8时，迅速接 近于1，而=1的流动为等 温流动，因此可以将质量 浓度大的气固两相流动看 出是等温流动。等温流动 具有如下性质：由于颗粒 的热容量大，混合物膨胀 或压缩引起的气体温度变 化可从颗粒的热交换得到 补偿而不致影响颗粒和两 相流的温度。
第七章 颗粒流体力学
• 存在状态不同的多相物质共存于同一流动体 系中的流动称为多相流。
• 它具有以下特点：
• 颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律各异；
• 由于固体颗粒与液体介质的运动惯性不同，因而颗 粒与液体介质存在着运动速度的差异-相对速度；
• 颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互碰撞和摩擦对运 动有较大影响，并且这种摩擦和碰撞会产生静电效 应；
• 在湍流条件下，气流的脉动对颗粒的运动规律以及 颗粒的存在对气流的脉动速度均有相互影响；
• 由于流场中压力和速度梯度的存在、颗粒形状不规 则、颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互作用等原因， 会产生颗粒的旋转，从而产生升力效应。
两相流的基本性质
• 在流动体系中，颗粒的体积、质量和密度分
别为Vp、Mp和p，液体的体积、质量和密度 分别为Vf、Mf和f，则两相流的总质量、总体 积和密度分别为Vp、Mp和m，显然有：
• 单位质量的两相流中所含固体颗粒的质量
C'w
Mp Mf
mf p m
p m
• 在颗粒浓度很高的两相流中，常用到空隙率的概念
1Cw
V Vm f Vm V mVp1Cv1C f w fC w p 1C1wC 1 wp f
• 两相流的密度：单位体积的两相流中所含固体颗粒和 流体介质的质量分别称为颗粒相密度和介质相的密度
• 固定床：当流体速度很小时，粉体层静止不动， 流体从彼此相互接触的颗粒间的空隙通过。
• 流化床：在C点状态下，颗粒之间保持相互接 触状态的最疏排列。流速一旦超过C点的流速 时，将不再保持固定床条件，粉体层开始悬浮 运动，此时的床层状态称为流化床状态。
• 气力输送：当流体的速度增大到与颗粒的自 由沉降速度相当时，固体颗粒开始被流体带 出，这时的流体速度称为最高流化速度。从 此时开始，流速越大，带出的颗粒也越多， 系统空隙率越大，压降减小，颗粒在流体中 形成稀相悬浮态，并与流体一起从床层中吹 出，该状态称为气力输送状态。这一阶段可 认为床层高度膨胀至无限大，空隙率接近１ ００％，此时系统中固体浓度降低得很快， 使原来流化床中的气体与固体间的摩擦损失 大大降低，从而使总压降显著减小。气固系 统的流化床为聚式流化态，固液系统的流化 态为散式流化态。
• 在湍流区，沉降速率通式中的C=5.31-4.88
• 浓度修正：如果颗粒的浓度较小，相邻颗粒 间的距离比颗粒直径大得多，可认为颗粒在 沉降过程中无任何相互作用，这种沉降为自 由沉降。
• 当颗粒浓度较大时，颗粒之间相互干扰，此
时的沉降为干扰沉降。必须对沉降速度进行
修正：
K
umc Kums
p m 18m
Mm Mp Mf
单位体积液体所拥
Vm Vp Vf
体积浓度Cv：固 体颗粒的体积占 两相流总体积的 分数。
Cv
Vp Vp Vf
m f p f
有的固体颗粒体积 为：
C'v
Vp Vf
m f p m
• 质量浓度：单位质量的两相流体中所含固体颗粒的质 量，以Cw表示：
C wM p M pM f m p ff m pC v m p
气力输送系统的主要参数
• 输送管内的风速：由于气力提升泵为低压输 送，故用风量较大，最佳风速为16～20m/s, 而螺旋泵和仓式泵为高压输送，风速为12～ 16 m/s即可。也可用下式计算：
u K1V
• 式中：V-仓的容积
• 固气比：单位时间内通过熟料管断面的固体 粉料的质量与气体质量之比称为固气质量混 合比，简称为固气比，用m表示：
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
作业：在内径为102mm的圆筒内填充0.11mm的 球形颗粒，填充层高度为610mm，颗粒密度为 4810kg/m3，试求颗粒被400C、1大气压的空气流 态化时的最小流化速度。
气力输送
• 与机械输送相比，气力输送具有以下优点： 1. 直接输送散装物料，不需要包装，作业效率高； 2. 设备简单，占地面积小，维修费用低； 3. 可实现自动化遥控，管理费用少； 4. 输送管路布置灵活，可实现合理化配置； 5. 输送过程中物料不易受潮、污损或混入杂质，同时
• 层流区（Stokes区）
104Rep1CR 2e4p
• 过渡区（Allen区）
10 1Rep500C Rep
• 流区
此外用于整个区域 的近似公式为：
C 0.63 4.8 Rep
5 0 0 R e p 2 1 0 5 C 0 .4 4
• 颗粒在流体中的运动服从牛顿第二定律
• 重力沉降：假定颗粒为球形且颗粒在运动过程中，
g
m 1kCV
式中：K-常数，m-分散体系的密度，m-分散体系的 黏度，k-与颗粒形状有关的常数，球形时为2/5，Cv-颗 粒体积浓度
• 当Cv0.02时，采用下式计算：
m
exp1k'CqCv v
离心沉降
• 离心加速度比重力加速度大2个数量级，因此， 离心沉降能使沉降速度大大加快，同时可使 细颗粒从分散体系中分离出来。
相互之间无任何干扰和影响，即属于自由沉降，则
最大沉降速度为：
um
4gDp p
3C
• 不同沉降区的沉降末速度
• 在Stokes区：
ums
p 18
g Dp2
•
在Newton区：
umN
3gp Dp
•
在Allen区：umA
4 g2
2和一定的温度条件下，一定密 度的固体颗粒的沉降末速度仅与粒径大小有 关，颗粒大者um也大。因此可以根据沉降 末速度的不同实现大小颗粒的分级。
习题
• 试求相对密度为2.65，粒径为10m的石英 颗粒在200C的水中自由沉降末速度。
沉降末速度的修正
• 颗粒形状的修正：形状对沉降速度的影响可 用球形度来表示：
• =颗粒的等体积球的表面积/颗粒的实际表 面积
• 等体积当量径Dpv来计算沉降速度。 • 在层流区：umc=Kums
K0.843lg0.065
• 两相流的热导率：
m
f
2f
2f
p 2Cv
p
Cv 100
f p
100
f p
颗粒在流体中的运动
• 颗粒运动时的阻力：Newton阻力定律
Fd
C
A
u2 2
Fd
4
CDp2
u2 2
Fd-流体阻力，u-颗粒与流体的相对速度，A-颗粒的 迎流面积，-流体的密度，C-阻力系数，Dp-球形颗 粒的粒径。Ut-颗粒的圆周速度，r-颗粒作圆周运动 的半径。