材料工程《两相运动现象》课件

第二章 两相运动现象
一.基本概念 二.粒子-流体的相互作用 三.连续相方程及数值模拟
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第二章 两相运动现象
一.基本概念
1.相
某一系统中具有相同成分和相同物理、 化学性质的均匀物质部分，即物质的单一 状态。
气-固、气-液、液-固、气-液-固 对动力学系统：不同速度、不同温度和不
二.粒子-流体的相互作用
2.2降尘室工作原理 含
净 化
入口截面：矩形
尘 气
气 体
降尘室底面积：
体
A b L
含尘气流通截面积：
S bH
颗粒
降尘室操作示意图
含尘气体积流量：
qV H bu
含尘气体
u
ut
净化气体
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
颗粒的停留时间 颗粒的沉降时间
一.基本概念 混合型喷雾干燥器
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第二章 两相运动现象
一.基本概念
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第二章 两相运动现象
一.基本概念 气力输送原理
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第二章 两相运动现象
一.基本概念
气体输送类型及装置-吸引式
低真空吸引 气源真空度<13kPa 高真空吸引 气源真空度<0.06kPa
3.离心沉降设备
工业上应用的两种型式： 旋流器：设备静止，流体旋转运动； 离心沉降机：设备本身和液体一起旋转。
3.1旋风分离器
旋风分离器是工业上应用比较广泛的气、固离 心分离设备之一，是利用离心沉降原理从气流 中分离出固体颗粒的设备。
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
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第二章 两相运动现象
三.连续相方程及数值模拟
连续性方程、动量方程、能量方程 数值计算方法：Euler法、Lagrange法 定义：通过建立各种条件下的各种守恒方
程，结合一些初始和边界条件，加上数值 计算理论和方法，从而实现预测真实过程 各种场（流场、温度场、浓度场等）的分 布，达到对过程设计与优化。
t
4d p p 3
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
沉降速度计算方法 ❖ 试差法
➢ 滞流区（Rep或Ret ＜1）； ➢ 过渡区（1≤Rep（或Ret）≤500）； ➢ 湍流区 （500＜ Rep（或Ret）＜2×105）； ❖ 摩擦因数群法（图解法）
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
2. 重力沉降设备 2.1重力沉降应用
气体的除尘 悬浮液的增稠 固体物料的分级
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分级原理示意图
第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
降尘 室
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第二章 两相运动现象
L LHb
u
qV
t
H ut
颗粒分离(沉降)条件
停留时间 沉降时间 t
即：L H u ut
说明：生产能力q V由底面积、沉降速度
决定，与降尘室高度无关，多用扁平形状
或多层降尘室(层高40-100mm)
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
2.3沉降设备
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第二章 两相运动现象
一.基本概念
气体输送类型及装置-压送式
气源表压 0.05－0.2MPa
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第二章 两相运动现象
一.基本概念
流化床主要特性及流化类型
u
u
(a)
(b)
L
u
(c)
p
u
(d)
uu
(e)
充分流态化时呈现类似液体的性质
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适合于分离直径在75μm以上的粗粒，一般作预
除尘用
清洁气流
隔板
含尘气流
挡板
多层降沉室
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二.粒子-流体的相互作用
2.3沉降设备
沉降槽（增稠器） 利用重力沉降分离悬浮液的设备
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二.粒子-流体的相互作用
图1 微粒在静止介质中 降落时所受的作用力
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二.粒子-流体的相互作用
当阻力和浮力之和等于微粒的重力时， (即作用于粒子上的合力为零)粒子沉降就 变为等速运动，这种不变的降落速度，称 为沉降速度。
1.2 阻力系数ζ
通过实验，得到球形颗粒的阻力系数ζ 和雷诺准数Re的函数关系，如图2中的曲 线所示。
第二章 两相运动现象
一.基本概念 流化床的传热
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一.基本概念
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二.粒子-流体的相互作用
3.多相流运动规律研究方法
实验观测法 宏观统计法 数学分析和模拟仿真法
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图 三足式离心机 1．支脚 2．外壳 3．转鼓 4．电机 5．皮带轮
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
管式超速离心机。分 离乳浊液或含固相较 少的细粒子悬浮液时， 须用极大的惯性离心 力。因此，需采用超 速离心机。右图为一 台管式超速离心机， 它有一管状的无孔转 鼓。
3.1旋风分离器
含尘气体由圆筒上部进气管切 向进入，受器壁的约束而向下 作螺旋运动，在惯性离心力作 用下颗粒被抛向器壁，与气流 分离，再沿壁面落至锥底的排 尘口。净化后的气体在中心轴 附近由下向上作螺旋运动，最 后由顶部排气管排出。
B
进气
排气
出灰口 旋风分离器示意图
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第二章 两相运动现象
图 碟式离心机 1.乳浊液人口 2.倒锥体盘 3.重液出口 4.轻液出口 5.隔板
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用途：分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体颗粒， 广泛用于润滑油脱水、牛乳脱脂、饮料澄清等。
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二.粒子-流体的相互作用
三足式离心机（转鼓式离心沉降机）
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二.粒子-流体的相互作用
3.2离心沉降机
▲ 分离液-固非均相混合物 ▲ 特点：转速可以根据需要调整，
适用于分离困难的体系， ▲ 常用的离心沉降机：转鼓式离心机、蝶
片式离心机等。
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二.粒子-流体的相互作用
3.2离心沉降机 碟式高速离心机。如
图所示，机壳内装有 许多倒锥形碟片，由 一垂直轴带动而高速 旋转。
同尺度的粒子或液滴也可是不同的相。各 相间应有明显的分界面。
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一.基本概念
2.两相运动现象
喷雾干燥 离心分离 气力输送 流化床
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第二章 两相运动现象
一.基本概念 逆流式喷雾干燥器
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
1.粒子在流体中的受力分析
流体绕球形颗粒的流动
理想流体
u0 A
B
0
85
C
A u0
0
B 140 C
实际流体
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二.粒子-流体的相互作用
1.1 重力沉降速度
将表面光滑的刚性球形颗粒 置于静止的流体介质中，如果 颗粒的密度大于流体的密度， 则颗粒将在流体中降落。此时， 颗粒受到重力、浮力与阻力三 个力的作用。
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第二章 两相运动象
二.粒子-流体的相互作用
图2 球形粒子的阻力系数ζ和Re的关系图
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第二章 两相运动现象
二.粒子-流体的相互作用
1.3沉降速度的计算
自由沉降和沉降速度
Fb FD
❖
受力分析
Fg
Fb
FD
m
du
d
Fg
❖ 沉降速度，对球形颗粒加速度为零时：