气液两相流中颗粒运动学建模的研究

体表面上，由于表面张力的作用，使液体接触面的垂直方向上存在压
时，液滴变得不稳定，并发生破碎现象。
强差，此压强差与表面张力相平衡。可认为液体受力面为矩形液面，
压强差可表示为：
（12）
（3）
其中 R1 和 R2 为液体接触面的主轴曲率半径。假设初始形状为 球形的液滴在剪力的作用下发生椭球型变形，且界面张力为常数。变 形液滴在 A、B 和 C 点处界面膜上所承受的附加压力分别为 τ、0 和 τ。设沿着 0x、0y 和 0z 方向的变形分别为 R+δx、R- k1δx 和 R- k2δx。因此，变形液滴在 A、B 和 C 点处有如下的关系：
[4]Listew ni K J.Some factors influence in the performance of de- oiling hydrocyclones for marine applications [A].PICKFORD R，2nd Int Conf on Hydrocyclones [C].BHRA：The Fluid Engineering Center， 1984，198- 199．
用途广泛，作用显著。泥炭腐殖酸本身对土壤的改良具有重要作用， 的重要举措。国内外对泥炭腐殖酸的科学研究和开发实践从未停止
可有力解决耕地地力下降、贫瘠土壤、沙漠、盐碱地等的改造和利用 过，中国、美国、加拿大、俄罗斯等三十多个国家对本国泥炭开发与利
问题。腐殖酸的螯合作用可提高化肥利用率，降低化肥用量，节约投 用正稳步加强。
参考文献： [1]王柏秋.水力旋流器内部流场数值模拟及分离效率研究[D].哈尔滨：哈 尔滨工业大学，2006.6． [2]张红光，董守平，刘国彪，等.剪切流场中液滴形变的三维力学模型初
探[J].实验流体力学，2007.6． [3]胡盟明，董守平.油水乳化液中分散相液滴的力学行为初探：剪切流对
油水乳状液分散相液滴集聚的影响 [J]. 流体力学实验与测量，2000，14(4)： 46- 5．
题日益严重，农产品安全受到严重威胁。提高化肥利用率，节本增效 用，提高土地的综合生产能力，改善农田生态环境，提高农产品质量，
是化肥行业和农业应用领域的重要课题。
提升农产品的市场竞争力等方面都有重要意义。
泥炭腐殖酸肥料的功效已被国内外科学研究和生产实践所证
21 世纪是绿色革命时代，也是经济更加飞跃发展的时代，作为
肥成本，增加农民收入，同时可消除或降低化肥污染，提高农产品品
国外泥炭资源开发利用的先进国家已经在提高化肥利用率，降
质。腐殖酸的刺激作物生长和增强作物抗逆性和抗病性方面的作用 低化肥施用量，提高农产品品质，降低或消除农产品污染方面取得了
明显，是其他肥料品种无可比拟的。对于化肥结构和品种结构调整， 突破性科研成果。泥炭腐殖酸复混肥料的种类很多，有泥炭系列氮磷
（上接第 311 页） 式，得到了临界速度表达式（2）同时对结果进行分析；同时对影响旋 流场中的液滴变形的因素进行分析，建立所对应的关联式 （9）和 （10），通过分析明确了液滴破碎的临界值式（11），为有效控制液滴 的大小提供了依据，通过本文的研究建立起了反应颗粒和液滴运动 规律的数学模型，为工程中解决尾气控制难题提供理论的指导，也为 运用理论分析手段解决类似问题提供了参考，但本文仅用理论分析 的手段对气液两相流特点进行研究，而要进一步认清气液两相流的 规律还必须借助试验的手段对其进行试验验证，从而最终解决工程 实际问题。
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科学实践
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泥炭腐殖酸肥料国内外的发展
李哲 （沈阳市农业科学院）
摘要：综述了生物肥料国内外的发展情况，并对泥炭腐殖酸肥料的研究、 化的重大举措，是绿色环保肥料发展的首要选择。因此，本项目对泥
生产、以及发展方向做出了介绍。
炭开采和加工业、腐殖酸化工产业、肥料工业和现代农业的发展具有
关键词：泥炭 肥料 有机化合物
A 点：
式中 u′—— —流体的湍动度。 旋流器中液滴易发生破碎的地方往往是雷诺数较大的部位，主要 有[5]：①旋流器进口处及与旋流体连接的部位；②靠近旋流器器壁的边 界层；③稳态剪力达到最大值处的准自由涡的内界面处。注意观测这 些部位的液滴破碎情况，有利于深人研究和分析旋流器的分离性能。 2 结论 本文通过运用理论分析的手段深入分析气液两相流体运动特 性，通过综合考虑颗粒表面的各种受力并建立其所对应的运动表达
（7）
并揭示其运动规律，通过颗粒动力学模型的建立为新型尾气设备的 设计与开发提供理论指导。
（8）
1 两相流中液滴的动力分析
由式（6）和（7）可求得：
当单独的颗粒在连续相中运动时，该颗粒将受到流体的两种作 用力，一是形体阻力，表示颗粒运动过程中流体压力在球体表面上分
（9）
布不均匀引起的流动阻力；另一种阻力为摩擦阻力表示由于球体表
的密度不相等时，离心力的作用总是使连续相流体与分散相颗粒有 一定的径向速度差 u0，此时颗粒沿半径方向的受力方程为：
（1）
式中 ε—— —拉伸率，ε=δx/R； k1，k2—— —变形收缩系数； σ—— —表面张力，N/m； R— ——液体曲率半径。
由式（8）和式（9）可以求得：在拉伸率小于 0.9 时，随着拉伸率的 增加，k1 减小而 k2 增加；当拉伸率大于 0.9 时，随着拉伸率的增加，k1 和 k2 均减小，而且在变化过程中，k1 总是大于 k2。因此，液滴在 x 方 向上发生的变形最大，其次是 y 方向，z 方向最小。
用方兴未艾，在农业、园艺、工业、能源以及环境保护等方面均有广泛 肥料。如俄罗斯泥炭腐殖酸肥料应用可显著降低土壤施肥量，增加农 的用途。泥炭腐殖酸资源的农业肥料化开发应用是泥炭资源开发的 作物产量 15～40% ，降低 NO3- N 含量 2- 3 倍。这是泥炭腐殖酸肥 重要途经，是肥料工业科技创新的重要内容，是农业肥料品种结构优 料的发展方向。
利用优质丰富的泥炭资源，引进、消化、吸收俄方的泥炭腐殖酸
学肥料为主，化肥用量过大且使用不合理，化肥用量高于世界平均水 综合开发利用技术与相关设备，融合中方已有农业科研成果和专有
平，在消耗了大量能源和资源的同时，也影响着农产品的质量和安 技术，合作开展适于中国本土化特点的泥炭腐殖酸肥料的研究与开
全，施肥品种结构不合理，化肥利用率低，化肥对土壤和环境污染问 发，对于提高肥料利用率，节约能源，保持中国土壤资源的可持续利
涉及泥炭的物理和化学改性、腐植酸提取加工、肥料产品定型和生产 行业的技术关键和技术瓶颈。
加工、肥料农业应用等技术领域。其技术终端产品—— —泥炭腐殖酸肥
泥炭腐殖酸肥料的农业应用技术是项目研发技术的下游和终
料是现代农业生产高产、优质、高效、安全农产品的生态肥料和环保 端，是项目研发产品功效的支撑和保障。本项目研发的泥炭腐殖酸肥
当颗粒的径向受力达到平衡时，上式变为：
液滴临界的 Weber 数可表示为[5]：
（2）
（11）
上式中 u0 为正时，表示颗粒与连续相流体在径向沿着相反方向 运动；当 u0 为负时，表示颗粒与连续相流体在径向沿着相同方向运
式中 ρc—— —分散相密度，kg/m3； Qi—— —为入口流量，m3/h； △P—— —压力降，M Pa；
动。 1.2 液滴变形与受力分析
dmax— ——液滴临界直径，m； V— ——旋流器的体积，m3；
剪切力主要是引起液滴旋转、变形及导致分散相液滴破碎，进而
σ—— —表面张力，N/m。
使之乳化的重要原因，也直接影响两相介质的分离效率。在弯曲的液
根据颗粒的破碎条件 [6]，理论上讲当 Weber 数大于临界值 12
间接地减少能源消耗也具有积极的作用。
钾多元素复合肥、专用肥、泥炭腐殖酸铵、泥炭腐殖酸微量元素肥料
国内外泥炭资源总储量约 5000 亿吨，总面积 4 亿公顷左右，腐 等，通常是将经过特殊处理的泥炭与氮、磷、钾及部分中量、微量元素
殖酸是泥炭中的最重要成分，国内外泥炭及其腐殖酸的综合开发利 有效融为一体，经科学方法制成的高效、多元素有机—无机颗粒复合
[5]姜雪梅，董守平，张红光.液 - 液旋流器中分散相液滴破碎机理研究 [J].石油天然气学报，2005，27(1)：306- 307．
[6]袁晓琳，袁惠新.旋流场内液滴破碎与临界入口雷诺数的确定[J].江南 大学学报，2004.2.
作者简介：杜超（1984—），男，江苏大学汽车工程系，硕士在读。 主 要 研 究方向：汽车检测诊断与维修。
B 点：
究气液分离本质、开发研制新型高效尾气装置提供科学依据。 关键词：气液两相流 液滴 动力学 建模
（5）
0 引言 随着我国经济水平的提高和城市发展规模的不断扩大，交通运
C 点：
输业得到了迅速的发展，汽车排放出来的尾气给我们的环境带来严 峻的考验，由于人们对尾气危害认识不足以及处理不当，尾气排放标
明，其在培肥改良土壤，提高化肥利用率，增产提质，增强作物抗病 科技和信息的第一生产力，必将把天然有机物—— —泥炭及其腐殖酸
性、抗逆性、抗旱性，刺激作物生长，消除土壤污染和农产品污染等方 资源的科技开发推向高层次、高效益阶段。同时，它也是绿化环境和
面的效果是其它肥料无法比拟的。泥炭腐殖酸肥料在农业生产领域 生物工程建设的重要组成部分，是实现高产、优质、高效现代化农业
把（13）带入式（11）可得：
面上流体的剪应力引起的流动。颗粒在流体中运动的总阻力时形体 阻力与摩擦阻力之和，简称为曳力[1]。液滴的受力主要包括影响颗粒
（10）
运动的作用力和剪切力。 1.1 影响颗粒运动作用力分析 影响颗粒运动的作用力。包括自身重力、流体的浮力、流动阻力
以及由这些力的合力所充当的离心力等。 在离心力场中一般颗粒自身的重力可以忽略不计，由于当两相
重要作用。
泥炭是沼泽（湿地）环境条件下形成的特有产物，是一种含有机
泥炭腐殖酸的提取加工技术及其产业化是泥炭腐殖酸肥料的上
质超过 50％（以绝干物质计）的天然有机物。腐殖酸（Humic Acid,简 游技术和产业，决定腐殖酸的功能和生理活性，项目采用的加工工艺
称 HA）是泥炭有机岩中最有价值的主要成份，它是由芳香族及其多 是针对泥炭及其所含腐殖酸的物理化学特性而设计的，并配套先进
科学实践
气液两相流中颗粒运动学建模的研究
杜超 ( 金山职业技术学院)
摘 要 ：汽车尾气处理技术具有难度大、科技含量高、意义重大等特点，本
文通过对尾气颗粒进行综合受力分析，建立运动学方程，确定了颗粒运动过 程中平衡状态的临界速度表达式。同时，对气液两相流体中液滴的受力变形
（4）
特点进行深入的研究明确了影响液滴大小的因素并建立了相对应的关联式， 对关联式进行定量的分析从而深入认识运动规律，通过数学模型的建立为研
酸，本项目是从泥炭中直接提取而得到腐殖酸。泥炭是非金属矿产资 间环节，尤其是腐殖酸和化学肥料中营养元素的螯合数量和质量最
源，储量丰富，其所含有的腐殖酸在肥料上应用潜力巨大。
为关键，其决定营养元素的利用率，进而决定肥料的使用量，因此，本
泥炭腐殖酸的肥料化应用技术是化工和农业技术的有机结合， 项技术研发和实施会提高腐殖酸肥料加工业的技术水平，解决所处
型肥料。
料是绿色环保型肥料，是肥料行业的新型肥料，其农田应用对化肥利
我国农业发展正处于由单纯追求数量型向追求质量效益型的方 用率提高、化肥品种结构改善、土地可持续利用、绿色农产品生产都
向转变时期，努力建设节约型社会、和谐社会，肥料的使用深刻影响 具有非常重要的意义。
着农产品的质量和环境。现阶段我国由于肥料产品主要以高浓度化
种官能团构成的高分子有机酸，属于天然高分子有机化合物，具有良 加工设备，确保泥炭腐殖酸的肥料化应用。本项技术实施可带动泥炭
好的生理活性特性和吸收、结合、交换等功能，在参与地球碳循环中， 开采和加工业的技术进步。
发挥着不可替代的重要作用。我国主要是从风化煤、褐煤中提取腐殖
泥炭腐殖酸的肥料生产和加工技术是项目技术链条的关键和中
（6）
准无法达到更高要求，而现有的尾气净化方法大多存在除效率低、运 行费用高以及操作维护复杂等问题。因此，新技术、新工艺的采用已 是迫在眉睫，为此本文重点从理论的角度对尾气中的颗粒和液滴进 行动力学分析，深入认识其运动本质，找到影响液滴运动的主要因素
液滴的曲率半径和内外压差有关系式[3]：p=2σ/R，考虑到不可压 缩流体和 B 点的压力没有发生变化，可以分别得到如下关系式：