气固两相流基础理
气液两相流课件
5.2 均相流模型的摩擦压降计算
一.均相流模型计算法
➢ 两相摩擦压力梯度
dp f Ph 0
dz A
对于圆管，控制体周界长度(m)：Ph D
通流面积(m2)：A D2
4
流体与壁面的摩擦剪应力(N/m2)：
o
f
m j2
全气相摩擦压降梯度
dPf dz
l
分液相摩擦压降梯度
dPf dz
g
分气相摩擦压降梯度
dPfl 液相部分摩擦压降梯度 dz
dPfg 分气相摩擦压降梯度 dz
2 lo
全液相折算系数
2go 全气相折算系数
2 l
分液相折算系数
2g 分气相折算系数
dPf 两相摩擦压降梯度 dz
X 2 马蒂内里参数
5
第一章 两相流基本参数及其 计算 方法
1.1 基本概念 1.2 气相介质含量 1.3 两相流的流量和流速 1.4 两相介质密度及比容
6
1.1 基本概念
1.物态：在某一条件下，物质存在的一种状态。 常见的物态是气态、液态和固态。有时物态 也称之为相，常见的物质三态也称为：气相、 液相、固相。
11
1.2 气相介质含量
1.2.1 定义
气相介质含量表示两相流中气相所占的份额。
1.2.2 几种表示方式
1.质量含气率x
单位时间内，流过通道某一截面的两相流体总质量 M中气相所占的比例份额。
x M M M M M
式中，M、 M分别表示气相和液相的质量流量，kg/s。
那么，质量含液率(湿度)可以表示为
4
课程目录
第一章 两相流基本参数及其计算方法（4学时） 第二章 两相流的流型和流型图（6学时） 第三章 两相流的基本方程（4学时） 第四章 截面含气率的计算（8学时） 第五章 直管的两相流压降计算（10学时） 第六章 两相流局部压降计算（2学时） 第七章 两相临界流动（4学时） 第八章 两相流流动不稳定性（2学时）
选粉机设计基础参数资料
选粉机设计实用参考资料一、气固两相流力学基础1.颗粒在静止流体内的沉降：颗粒在静止流体内自由沉降时，不仅受到重力，而且还受到浮力和阻力的作用。
在工业生产过程中，所处理的颗粒一般是比较小的，在整个降落过程基本上看着是以匀速u o进行的。
所以一般情况下，研究沉降速度问题时，是不考虑加速阶段的。
颗粒作匀速运动，降落速度u等于颗粒的沉降速度u o，计算公式为：u o={[4gd p(ρp-ρ)]/3ρξ}-2……（沉降速度计算基本公式）式中u o——球形颗粒自由沉降速度，m/s；d p——球形颗粒直径，m；g——重力加速度，m/s2；ρp————颗粒密度，kg/m3；ρ——流体密度，kg/m3；ξ——阻力系数，无因次，ξ=8/π×f(Re p),颗粒雷诺数Re p=d p u oρ/μ；μ——流体粘度，Pa.s。
当Re p＜1时，流体属层流时，则得：u o=[d p2(ρp-ρ)g]/18μ此式适用于层流时球形颗粒的自由沉降速度计算，称为斯托克斯（Stokes）公式；当1＜Re p＜10000时，流体属过渡流时，则得：u o=0.2{[(ρp-ρ)/ρ]g}0.73×d p1.18/ (μ/ρ)0.45此式适用于过渡流时球形颗粒的自由沉降速度计算，称为阿纶（Allen）公当10000＜Re p＜2×105时，流体属踹流时，则得：u o=1.74{[(ρp-ρ)/ρ]g}0.5×d p0.5此式适用于踹流时球形颗粒的自由沉降速度计算，称为牛顿（Newton）公式。
颗粒在静止流体内的沉降速度计算实例：例1：求直径为30μm的球形石英颗粒，在20℃的空气中的沉降速度，石英颗粒的密度为2650kg/cm3。
解：标准状态下空气的密度为 1.293kg/cm3。
故20℃时，空气的密度为ρ=1.293×[273/(273+20)]=1.205 kg/cm3。
而粘度为0.0185×10-3Pa.s。
锅炉气固两相流基础理论
2. 颗粒球形度 表征颗粒接近球形的程度。球形度数值越小，颗 粒偏离球形越远。用实测方法获得。 •
3.宽筛分颗粒的平均粒径
• 筛分重量平均直径：dav=∑xidi • Xi—不同直径颗粒份额 • Di—颗粒各种不同粒径，用不同孔径的筛子表示 • 对孔径小于25.4mm的孔，用25.4mm长度上的 孔数表示，简称“目” • 表3-3 为我国常用的泰勒标准筛的目数（25.4mm 长度上孔数）和对应孔径（相邻网线间的孔径）
3.颗粒的扬析和夹带
• 夹带：指单一颗粒或多组分系统中，气流从床层 • 中带走固体颗粒的现象。 • 扬析：从混合物中分离和带走细粉的现象。
二、 炉内颗粒浓度分布
• • • • • • • • •
1. 颗粒浓度沿床高（轴向） 分布规律 从颗粒浓度沿床高的分 布特征看，处于不同流型 状态的流化床内的颗粒浓 度沿床高分布规律差别很大。 从总体上讲，循环流化床炉 内颗粒浓度一般呈上稀下浓 的不均匀分布，如图2-21所示。
•
通常，对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较 大，筛分较宽；对于挥发分较低的无烟煤、煤矸 石，一般要求粒径较小，相对筛分较窄。 • 国内目前运行的循环流化床锅炉，其燃料粒径 要求一般在0.1～10mm、0.1～l5mm，特殊的要求 0.1～20mm，这些燃料粒径要求范围较大，均属 宽筛分。
• 6．燃料颗粒特性—称燃煤的粒比度 • 是选择制煤设备和锅炉运行的参数 • 细颗粒多,一般炉温整体高,燃烧后燃 • 粗颗粒多,影响排渣,炉膛易结焦 • 7．流化速度--空塔速度,不是一个常量,指床料或物 料流化时动力流体的速度 • 运行中控制和调整风量,就控制盒调整了流化速 度,即控制炉内物料的流化状态 • 一次风:通过布风板和风帽使床料(或物料)流化起 • 来的空气
第四章 相似原理及其在气固两相流中的应用
2、气固两相流相似的相关准数
1)雷诺数Re 流体运动相似 两个相似系统(I 和II)流体质点的 惯性力与粘性力 成比例 两个相似系统(I和 II)颗粒的惯性力 与粘性力成比例 两个相似系统(I和 II)颗粒的惯性力 与重力成比例
雷诺数Re相等
2)斯托克斯数Sst
颗粒运动相似 3)傅鲁德数Fr 颗粒运动相似 傅鲁德数Fr相等 斯托克斯数Sst相等
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
第四章 相似原理及其在气固两相流中的应用
4.1 相似原理概述 4.2 颗粒运动的动力学相似 4.3 颗粒运动的运动方程与相似方程 4.4 沉降室模型和集尘效率的旋液分离器模型的相似实验
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
4.1 相似原理概述
1、相似原理的产生
4、相似原理的应用范围
首先，相似原理是一种完整地研究、整理和综合实验数据的一般方法论。 根据相似原理，可将影响现象发展的全部物理量适当地组合成几个无量纲的 相似准则，然后把这些相似准则作为一个整体，来研究各个物理量之间的函 数关系。这种做法的优点，不仅会大大减少实验工作量和费用，而且扩大了 实验结果的使用范围；
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
3、相似原理的发展
相似第一定律
相似第二定律
相似第三定律
相似现象对 应点的同名 相似准则相 等
微分方程的积分 结果可以用相似性条件 相似，而且由单值性 条件包含的物理量所 组成的相似准则相等
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
2、相似原理的优越性
相似原理综合了理论研究和实验研究两种方法的优点。它从描 述过程的微分方程中导出研究现象规律的相似准则的一般关系式， 并将它作为实验和整理数据的依据，是一般性的关系式具体化，从 而得到解决具体问题的准则方程。这样得到的结果，不但避免了求 解微分方程室所遇到的困难，而且使实验结果具有普遍指导意义。 总之，相似原理可以是描述现象的微分方程用实验方法来求解，它 是一种用得很成功的求解微分方程和整理数据的特殊的物理数学方 法。目前，这种方法已得到广泛的应用。
第三章循环流化床锅炉气固两相流基础理论
第三章循环流化床锅炉气固两相流基础理论循环流化床锅炉中的气—固两相流流体动力特性是学习其燃烧特性和传热特性的基础。
为了叙述方便和更好地理解本章及以后章节的内容，首先简单介绍一下循环流化床锅炉涉及的部分概念和定义。
第三节流化床基本原理一、颗粒流态化的概念1．流态化现象当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流化现象。
2．流态化的定义当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象或者当固体颗粒与气体或液体接触时固体颗粒转变成类似流体状态，这种状态称为流态化。
3．流化床的流体力学性质流化床流态化后，具有与流体一样的性能，主要表现在以下几方面。
（1）浮力定律。
密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。
（2）液面特性。
床表面保持水平，形状保持容器的形状。
（3）小孔射流。
在流化床侧面开孔，流化床固体物料像流体一样射流，离床层上表面越近，射流距离越小；越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出去。
（4）连通效应。
几个流化床底部联通后，床层高度自动保持同一水平高度。
气体流化床的拟流体性质见图3—4图3—4 气体流化床的拟流体性质气固流化床类似流体的性质还有：①在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重要；②密度高于床层表面密度的物体在床内会下沉，密度小于床层表面密度的物体会浮在床面上；③床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。
一般的液—固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化。
而一般的气—固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成汽包经床层短路逸出，颗粒则被分成群体做湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。
燃煤循环流化床锅炉靠空气或烟气流化颗粒状物料，属气—固流态化范畴，也即属于聚式流态化。
第2章 气固两相流理论汇总
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
❿气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动。
❿与高粘度液体性质相似。
1.1流态化现象ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化➢散式流化d b /dp＜1d b ——气泡直径dp——颗粒直径对于L-S系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf 一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作散式流化态。
颗粒越细，流体与固体的△ρ值越小，则越接近理想流化，流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质➢聚式流化d b /dp＞10对于G-S系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时，整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结：固定床：固体粒子处于堆紧状态，颗粒静止不动的床层，叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床：流体和固体颗粒同时进入反应器，他们互相接触，一面进行反应，一面颗粒移动。
流化床：床层颗粒之间脱离接触，颗粒悬浮在流体中，往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大，但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒分布均匀，颗粒间充满流体，无颗粒与流体的聚集状态，此时已具有一些流体性能。
气力输送之气固两相流
1.4 输送气体速度
气力输送系统的风机、压缩机或负压风机除气源压力外引入容积流量参数，尽管输
送空气速度尤其是输送线入口速度或拾取速度决定气力输送设计参数。在单一管径下不 管是正压或负压输送系统,管线始端的物料给料点总是风速最小。
2.2.2 案例分析
输送管线压力损失对粒子浓度影响超过了输送空气流量，用普通的硅酸盐水泥、含 沙的矾土和聚乙烯颗粒三种完全不同的物对应的输送方式。
用同一轴上显示三种物料输送资料以便于直观比较它们的输送能力，这三种物料分 别经图4.2所示管线进行输送研究。气速200ft/min(10m/s)表压100lb/in2(689.5KPa)，发送 罐以上出料形式将物料送至管道，用来输送物料最大压力值是表压40lb/in2(275.8KPa)。
试验范围应包括物料输送模式，以往的可用经验很少时，按比例增加气源压力、 管径、输送距离、用已有的资料预测管道参数。假如不能按比例增加输送模型，推断出 长距离、高固体填充率和最低输送气速范围是多少，不要冒然用于实际，除非证明物料 就是像这样产能输送的。
2.1 输送模式
高压常见于稀相输送，假如物料适合稀相输送模式。物料特性影响输送形式，同一 输送条件下物料流量也存在差异，成功设计以前未曾尝试过的物料输送，试验是至关重 要的。所以输送试验中必须有附加的高压空气，建立输送界限和一个非常宽输送范围条 件。
稀相悬浮流阻力是输送管线压力损失主要贡献者，不管从给料点或直管段或弯头加 速粒子，不同的物料表现不同,这差异在本章中将成为重点，作为主要参数将贯穿本手册。
气固两相流体力学模型在燃煤发电中的应用
气固两相流体力学模型在燃煤发电中的应用引言燃煤发电是目前世界各国主要的电力供应方式之一。
然而，燃煤发电过程中产生的煤烟气排放对环境和人体健康带来了巨大的挑战。
为了更好地理解燃煤发电过程中的气固两相流体行为，研究人员对气固两相流体力学模型进行了广泛的应用。
本文将介绍气固两相流体力学模型在燃煤发电中的应用及其意义。
气固两相流体力学模型的基本原理气固两相流体力学模型是研究气固两相流体行为的基本工具之一。
它基于流体动力学方程和颗粒运动方程，描述了气相和固相在空间和时间上的运动规律。
常用的气固两相流体力学模型包括欧拉-拉格朗日方法、欧拉-欧拉方法和多尺度方法等。
欧拉-拉格朗日方法将气相和固相视为两个不同的相，分别采用欧拉方法和拉格朗日方法描述其运动。
其中，欧拉方法假设气相和固相是均匀连续的流体，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程描述其运动；拉格朗日方法则将固相中的颗粒视为相互独立的个体，通过颗粒的运动方程描述其运动。
欧拉-欧拉方法将气相和固相都视为均匀连续的流体，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程描述其运动。
多尺度方法则将气相和固相的微观和宏观尺度结合起来，通过不同的尺度转换关系建立它们之间的联系。
燃煤发电中的气固两相流体力学模型应用煤燃烧过程中的气固两相流体行为研究煤燃烧是燃煤发电中最主要的过程之一，其燃烧特性对发电效率和煤炭利用率有着重要影响。
通过气固两相流体力学模型，研究人员可以深入分析煤燃烧过程中气相中的燃烧反应、物质传输和能量转化等过程，以及固相中的煤炭颗粒的燃烧和热解过程。
粉煤灰颗粒在燃煤发电中的传输和分离研究在燃煤发电过程中，粉煤灰是煤燃烧产生的主要固体产物之一。
通过气固两相流体力学模型，研究人员可以模拟粉煤灰颗粒在烟气中的传输和分离过程。
这对于合理设计燃煤发电厂的除尘设备以及减少粉煤灰排放具有重要意义。
气固两相流体行为对燃烧控制和污染物排放的影响研究气固两相流体力学模型还可以用于研究气相和固相之间的相互作用对燃烧过程和污染物排放的影响。
第2章 气固两相流理论分析
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
•气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动。
•与高粘度液体性质相似。
1.1 流态化现象Particlesflow Gas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化 散式流化db /dp＜1db ——气泡直径 dp——颗粒直径对于L-S系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf 一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作散式流化态。
颗粒越细，流体与固体的△ρ值越小，则越接近理想流化，流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质 聚式流化d b /dp＞10对于G-S系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时，整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结：固定床：固体粒子处于堆紧状态，颗粒静止不动的床层，叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床：流体和固体颗粒同时进入反应器，他们互相接触，一面进行反应，一面颗粒移动。
流化床：床层颗粒之间脱离接触，颗粒悬浮在流体中，往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大，但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒分布均匀，颗粒间充满流体，无颗粒与流体的聚集状态，此时已具有一些流体性能。
第六章 气固流态化基础
床内传热、传质效率较高，相间交换系数高；
Wen & Yu研究后发现:
1 s
3 mf
14
1 mf
2 s 3 mf
11
umf——起始流化速度（或最小流化速度/临界流化速度） （minimum fluidization velocity）
其余经验关联式参考《流态化工程原理》相关内容
3.颗粒性质对流化行为的影响
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
（1）湍动流态化的形成 气体速度增加 气泡破裂速度 大于聚并速度 床层膨胀 床内气泡减小
湍动流态化
气泡边界模糊
（2）湍动流态化内的压力波动特征
鼓泡
流化床 湍动 流化床
气 泡 增 大 气 泡 减 小
u=0.061m/s
u=0.111m/s
速 度 增 加
u=0.224m/s u=0.479m/s u=0.599m/s u=0.738m/s
D类颗粒：通常为过粗颗粒，一般 粒径在600μm以上，流化时极易 产生大气泡或节涌，操作不稳定。
密 度 差
B A
D
C 平均粒径
4.气固流态化中各种流型特征
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
u、ε增加
固 定 床
散 式 床
鼓 泡 床
节 涌 床 聚式流态化
湍 流 床
快 速 床
气 力 输 送
6.3 气固密相流化床 气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
2.床层压降与气体速度的关系、起始流化速度
气 固 两 相 流 多 媒 体 课 件
床层压降与气体速度的关系 由Ergun公式得到：
Байду номын сангаас
第二章 气固两相流动中的相间作用力
（2-33） 33）
对于气体固体颗粒两相流，上式中密度比的 数量级为10**（ 数量级为10**（-3）， 可以忽略不计。
4. 气体流体的不均匀力 （1）压强梯度力 在有压强梯度的流动中，例如管内流 动等，总有压强的合力作用在颗粒上。如 果沿流动方向的压强梯度用表示 ∂p / ∂l ，则 πd ∂p 作用在球形颗粒上的压强梯度力为 F = − 6 ∂l 可见，该力的大小等于颗粒的体积与压强 梯度的乘积，方向与压强梯度相反。浮力 也是压强梯度力，ρg 便是重力场中静止流 体沿铅垂方向的压强梯度。
（3）影响阻力系数的其他因素 1）湍流效应；2）稀薄效应；3）可压 ）湍流效应；2）稀薄效应；3 缩性效应；4）温度效应；5 缩性效应；4）温度效应；5）颗粒非球形 修正
3. 颗粒加速度力 颗粒加速度力是颗粒加速运动时流体作用于 颗粒上的附加力。 （1）附加质量力 当直径 d p 的球形颗粒在理想不可压缩无边界 静止流体中以等加速度作 a p 直线运动时，它必将 带动周围的流体也加速运动。周围被带动的按加 速度 a p 折算的流体质量称为附加质量，推动周围 流体加速的力称为附加质量力。在颗粒推动周围 流体加速运动的同时，流体将以同样大小的力作 用在颗粒上，该力应当是作用在颗粒上分布不对 称的压强的合力。 3 1 πd p ρgap 按压强分布计算的附加质量力为 Fm =
Stokes定律 Stokes定律 流体速度很低，颗粒雷诺数Re很低，可忽略 流体速度很低，颗粒雷诺数Re很低，可忽略 Navier-Stokes方程中的惯性项。得到流体作用于 Navier-Stokes方程中的惯性项。得到流体作用于 球体上的力为
Fd = 2πµrp (u g − u p ) + 4πµrp (u g − u p ) = 6πµr p (u g − u p（2-27） ) 27）
气溶胶力学_第09章_气溶胶气固两相流动的湍流数学模型
的微观流动，因此，为了描述宏观流场，必须使用
体平均的概念，也就是说，表示宏观流场性质的每
一变量都是控制体内该变量的体平均值。
二、相内的Leabharlann 观真实值和体平均值三、两相流中几种密度及体积分数
三、气固两相流的分类
1.气固两相流的类型
气固两相流的类型有两种：
稀相气固两相流：气相中悬浮着很少的固体颗粒， 称为稀相气固两相流。 稠相气固两相流：气相中悬浮着很多的固体颗粒， 称为稠相气固两相流，或浓相气固两相流，或密相 气固两相流。
相流的守恒方程组。
假设气体为不可压流体。 假设为稀相气固两相流。 假设两相之间无相变。
一、连续方程
一、连续方程
二、动量方程
二、动量方程
二、动量方程
三、K-ε-KP模型
三、K-ε-KP模型
三、K-ε-KP模型
三、K-ε-KP模型
三、K-ε-KP模型
二、欧拉—欧拉法（双流体模型）
假设 • 流体是连续介质，在欧拉坐标系下考察流体的运动。 • 颗粒是连续介质，在欧拉坐标系下考察颗粒的运动。 优点： • 可以完整地考虑颗粒相的各种湍流输运过程。 • 颗粒相和流体可以采用统一的数值方法。
• 计算量可以不是很大，可以为工程所接受。
• 预报结果可以直接与实验结果对照。
华北电力大学环境科学与工程学院
气溶胶力学
任课教师：杨官平
二○一五年八月
第09章
气溶胶气固两相流动的 湍流数学模型
气固两相流的数值模拟方法 气固两相流的基本知识 湍流气固两相流的基本守恒方程组
9.1 气固两相流的数值模拟方法
按照系统坐标特性分类，气固两相流的数值模拟方法 可以分为两种： 欧拉—拉格朗日法：在欧拉坐标系下考察流体的运 动，在拉格朗日坐标系下考察颗粒的运动。 欧拉—欧拉法：在欧拉坐标系下考察流体的运动， 在欧拉坐标系下考察颗粒的运动。
第2章 气固两相流理论
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
•气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动。
•与高粘度液体性质相似。
1.1流态化现象ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化 散式流化d b /dp＜1d b ——气泡直径dp——颗粒直径对于L-S系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf 一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作散式流化态。
颗粒越细，流体与固体的△ρ值越小，则越接近理想流化，流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质 聚式流化d b /dp＞10对于G-S系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时，整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结：固定床：固体粒子处于堆紧状态，颗粒静止不动的床层，叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床：流体和固体颗粒同时进入反应器，他们互相接触，一面进行反应，一面颗粒移动。
流化床：床层颗粒之间脱离接触，颗粒悬浮在流体中，往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大，但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒分布均匀，颗粒间充满流体，无颗粒与流体的聚集状态，此时已具有一些流体性能。
多相流动的基本理论
大涡 模拟 思想
为 什 么 要大 涡 模 拟？
对大尺度涡进行直接模拟 小尺度涡对大涡的影响用模型进行模拟
拟流体模型现状
为了能更完整地考虑颗粒相各种湍流输运特性以及相间的滑移和耦合， Spalding等[1]首先提出了双流体模型。
周力行教授对双流体模型进行了深入的研究。他们针对各向同性流动，提出了 颗粒湍动能输运方程的模型[2]。针对各向异性流动，则将单相湍流流动的RSM模 型推广至气固两相流中，提出了统一二阶矩模型（USM）[3]。
依靠理论与经验的接合，引进一 Reynol系ds应列力模模型（型RS假M）设，从而建立一组描
写湍流平均量的方程组。
代数应力模型（ASM）
FLT模型 SSG模型
湍流模式理论局限性
▪ 对经验数据的依赖性; ▪ 将脉动运动的全部细节一律抹平从
而丢失大量重要信息; ▪ 目前各种模型，都只能适用于解决
一种或者几种特定的湍流运动。
有
按各种模型提出的时间大致顺序
无滑移模型 小滑移连续介质模型 滑移-扩散的颗粒群模型
双流体模型
分散颗粒群模型
颗粒轨道模型
拟流体模型（连续-连续介 质模型）
前提：
在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体； 气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各自满足连续性方程、动量 方程和能量守恒方程。
无滑移模型（No-slip Model)
• 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引
起了质量迁移
拟流体模型数值方法
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论
大涡模拟
格子气
常用数值 模拟方法
直接 模拟
离散涡方法
湍流模式理论简介
气液两相流 第1章-绪论
本课程主要考虑和解决的问题
5
第一章：绪论
主要Байду номын сангаас考文献
① 林宗虎，王树众，王栋. 气液两相流和沸腾传热，西安交通大 学出版社，2003.4
② Hetsroni,G. Handbook of multiphase Systems，McGraw-Hill, NewYork, 1982— 2. Liquid－gas systems，by Hewitt, G. F. and Ishii, M.
1.3 气液两相流（流体力学部分）的研究内容
⑴设计者要设计出有竞争力的产品（如高效换热器、两相仪表、安全 研究 经济的锅炉产品等） 目的
⑵运行者保持最佳运行工况，避免事故。（如油气混输操作）
⑴数值模拟软件的开发
和工 业应
提供设计和运行监控的数值依据
用相 结合 的研 究表
⑵设备的研制及其运行模拟
如两相分离器、混合器、分配器、两相流泵、段塞流捕集器；换热器、 反应器、精馏塔等。
气液两相流
Gas-Liquid Two-Phase Flow
内容概要
1 2 3 4
2
内容概要 5 6 7 8 9
3
第一章：绪论
1.0-课程概述 1.1-两相流定义 1.2-气液两相流的工程应用 1.3-气液两相流（流体力学部分）的研究内容
4
第一章：绪论
气液两相流广泛存在于能源与动力工程、石油、化工 、核能、冶金、环境工程等领域中。
(3) 石油、天然气工业
油气两相输送（海上长距离输送）、天然气输送（会产生凝析油） 热注法采油（蒸汽、水两相流动）、聚合物或泡沫驱油 两相流设备：两相流泵、段塞流捕集器、分离器、两相流仪表等。
第2章气固两相流理论分析
第2章气固两相流理论分析气固两相流是指同时存在气体和固体颗粒的流动现象。
在很多工程和科学领域中，气固两相流的研究具有重要意义。
本文将对气固两相流的理论分析进行讨论。
首先，我们需要了解气固两相流的基本特征。
在气固两相流中，气体相和固体相之间存在着相互作用力。
这些力可以分为两类：牵引力和阻力。
牵引力是气体对固体颗粒施加的力，使其发生运动。
阻力则是固体颗粒对气体施加的力，使其受到阻碍。
然后，我们可以利用流体力学的基本原理来进行气固两相流的分析。
首先，我们需要根据质量守恒定律来描述气体相和固体相的质量流动。
然后，我们可以利用动量守恒定律来描述气体相和固体相的力学行为。
最后，我们可以利用能量守恒定律来描述气体相和固体相的能量变化。
在进行具体的气固两相流理论分析时，我们需要考虑一些重要参数。
首先是气体相和固体相的体积分数，即气体相和固体相在混合物中的比例。
其次是气体相和固体相的速度分布，即气体相和固体相在流动中的速度分布情况。
另外，我们还需要考虑气体相和固体相之间的相互作用力和阻力，以及颗粒之间的碰撞情况。
在进行气固两相流的理论分析时，我们可以将其分为几个研究方向。
首先是气固两相流的基本理论研究，包括气固两相流的基本方程和重要参数的推导和解析解。
其次是气固两相流的数值模拟研究，包括使用数值方法对气固两相流进行模拟和预测。
最后是气固两相流的实验研究，包括设计实验装置和进行实验观测。
总之，气固两相流的理论分析是一个复杂且重要的研究领域。
通过对气固两相流的理论分析，我们可以深入了解气固两相流的特性和行为，并为相关工程和科学领域的应用提供理论支持。
通过不断深入研究，我们可以进一步完善气固两相流的理论模型和分析方法，以满足实际应用的需求。
第二章气固两相流动的基本概念和特性参数课堂使用
?
基础教学
26
Thanks for your attention!
基础教学
27
基础教学
5
• 4．平均粒径
平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均 值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。确定 平均粒径的方法很多，大致有算术平均、几何平 均、调和平均、面积长度平均、体面积平均、重 量平均、平均表面积、平均体积、比表面积、中 径和多数径等。其中应用最多的是中径和多数径。 同一颗粒群用各种方法平均后，会得到各种不同 的平均粒径值。
n N V
两相混合物的密度
(2-9)
W /V g (1 ) p (2-10)
这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则
有
1 1 g p
基础教学
（2-11）
16
5．球形度
实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。 因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与 实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。
基础教学
13
浓度通常的指单位容积的气固两相混合物 内所含的颗粒质量。
c Wp V
Vp V
Wp Vp
(1) p
（2-7）
输送浓度是指单位时间内单位容积的气体 所输送的固体重量，用符号 表示。
Wpg Vg
Wp g Wg Wg Vg
zg g
基础教学
（2-8）
14
• 输送浓度是有量纲量。对于稳定的均匀流
球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式是 非球形颗粒的实际表面 Ap 与非球形颗粒同体积的 圆球表面积 As 之比，即
As / Ap
（2-12）
基础教学
17
• 球形度与空隙率有关，球形度越小，在密
第四章湍流气固两相流动模型
Nu 2 0.6 Re0p.5 Pr0.33
Sh
2
0.6
Re0p.5
Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0.33
（64）
2 气固两相流动的基本方程
将多相或两相流动系统视作一个多相混合物 颗粒与流体在宏观上占据相同的空间（但在微观上占据不
同的空间），互相渗透，且各相具有各自的尺寸、速度和 温度 对真实的多相流动系统，需要了解的是宏观流动特性
对于稀疏气固两相流动有
(1 p / p )
其中 为气体材料密度。
在煤粉火焰中有
p / 1/15 p /[ / (1 p / p )]
p p 1000 p
1p
1 p
即
p 0.01%
故煤粉火焰为稀疏气固两相流动
4) 颗粒阻力、传热传质及反应
颗粒阻力按照气固两相间相对运动的Reynolds数范围的不同具 有不同的规律：
Yk
k m
对于小滑移模型，多相液体混合物中第k相的连续方程是
k
t
xj
(kvkj ) 0
它与颗粒扩散方程等价：
（86）
k
t
xj
(k vmj )
xj
(Dk m
Yk ) xj
（87）
5 无滑移模型（单流体模型）
模型假设：
每一尺寸组的颗粒时均速度等于当地气体时均速度，即（动量 平衡，即无滑移）；
vk
j
)
x
j
(nk vkj )
（77）
流体动量方程
t
( vi )
xj
(
v
j
vi
)
xi
ji xj
gi
k (vki
vi ) / rk
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（m/s）
200℃ 1.13 1.92 2.62 3.38 4.08 5.35 6.58 800℃ 0.85 1.62 2.5 2.35 4.21 5.83 7.41
（ m ）
200 300 400 500 600 800 1000
煤粒直径
流态化基本原理
• 流态化的概念
流化床的形成过程
图2-6 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态
图2-2 Geldart的颗粒分类图
表 2-3 颗粒类型 粒度(ρ p =2500kg/m3) 沟流程度 可喷动性 最小鼓泡速度 u mb 气泡形状 固体混合 气体返混 粒度对流体动力特性的 影响
Geldart 四类颗粒的主要特征 C A B D
μ <20
m
μ 20～90
无 >u mf
m
μ 90～650
• 5．燃料筛分
• 宽筛分与窄筛分
• 6．燃料颗粒特性
• 燃煤的粒比度
• 7．流化速度
• 空塔速度，控制流化状态
• 8．临界流化风速与临界流化风量
• 开始流化时的一次风速度与风量
• 9．物料循环倍率
• 物料返送量与燃料给进量之比
物料循环倍率
烟气
一次风量
分离器
燃料颗粒特性
燃料
回料风 回料阀
分离器效率
Gs
气流方向
图 2-25 快速流化 床内颗粒流动示意图
三、床层高度、阻力与气流速度变化的关系
图 2-26 流化床中料层随气流 速度变化的情况
图 2-27 床层高度、阻力随气 流变化速度变化的情况示意图
• 床内压力波动 • 循环流化床的压力分布
高度
输送床 湍流床 快速床 鼓泡床
Δ P/L
图2-29 不同流型下床内压力沿床 层 高度的变化曲线
流化床的形成过程（演示）
循环床的形成
沸腾床
鼓泡床实验演示
循环床实验
循环床实验
循环流化床炉内流体动力特性
• 一、炉内气固两相流动状态 • 1. 炉内不同区域流型分布
位置 燃烧室（二次风口以下） 燃烧室（二次风口以上） 旋风分离器 返料料腿（立管） 返料机构/外置式换热器 尾部烟道 流动状态 湍流或鼓泡流化床 快速流化床 旋涡流动 移动床 鼓泡流化床 气力输送
典型非球形颗粒的球形度数据
球形度（
0.65 0.73 0.89 0.55 0.65 0.3 0.3
）
物 料 砂 硬砂 硬砂 渥太华砂 砂 砂 钨粉
性 状 平均值 尖角状 尖片状 接近球形 无棱角 有棱角 —
球形度（
0.75 0.65 0.43 0.95 0.83 0.73 0.89
）
• 3.宽筛分颗粒的平均粒径 • 4. Geldart的颗粒分类方法
图 2-17 分布
床内颗粒浓度
• 2. 床内气泡与颗粒运动
图 2-19 颗粒带(颗 粒图) 形成示意图
图 2-20二、 炉内颗粒浓度分布
–1. 颗粒浓度沿床高（轴向）分布规律
图2-21 不同流态化型式 沿高 度的颗粒浓度分布
–2. 颗粒浓度沿床截面（径向）分布规律
四 布风均匀性检查
• 脚试法： • 沸腾法：
动画
五 冷态临界流化风量测定
• 临界流化风量概念
• 临界流化风量的测定
• 冷态临界流化风量对热态运行的指导意义
–临界流化风速受温度影响，随温度的升高而增 大; –冷热态临界流化风量之比随温度升高而降低， 运行温度（900℃）时约为50%，提示热态运行 时需冷态临界流化风量的一半即可达到临界流 化状态； – 实际运行时流化风速应不低于（1.5~2）umf， 即实际运行时良好流化所需的风量与冷态临界 流化风量相当。
回料系统
一次风 图2-1 循环流化床锅炉原理简图
气固两相流中的颗粒特性
• 一、固体颗粒特性 • 1. 非球形颗粒的等效直径
–(1)等效体积直径 –(2)等效表而积直径 –(3)筛分直径 –(4)等效表面-体积直径
• 2. 颗粒球形度
表 2-1 物 料 原煤粒 破碎煤粉 烟道飞灰 烟道飞灰 碎玻璃屑 鞍形填料 拉西环 性 状 大至 10mm — 熔融球状 熔融聚集状 尖角状 — —
m
μ >650 m
可忽略 有
严重 无 无气泡 仅为沟流 很低 很低 未知
很小
可忽略 浅床时
u = mf
中 中 很小
u = mf
高 低 未知
平底圆帽 低 高 明显
二、颗粒终端速度
表 2-4
（ m ） 30 40 50 60 70 80 90 100 煤粒直径
ut 煤粉颗粒的终端沉降速度
200℃ 0.03 0.06 0.12 0.15 0.25 0.27 0.37 0.43 800℃ 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.21 0.24
第2讲 气固两相流基础理论
• 主要内容
• • • • 基本概念 气固两相流中的颗粒特性 流态化基本原理 循环流化床炉内流体动力特性
基本概念
• 1．床料
• 燃煤、灰渣、石灰石、砂子或铁矿石
• 2．物料
• 循环系统内燃烧或载热固体颗粒
• 3．堆积密度与颗粒密度
• 无约束，真实密度
• 4. 空隙率
• 堆积与流化并不相同。确定流化状态