第七章 颗粒流体力学讲解

f
p
• 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
Mm Mp Mf m p f Vm Vm

Cw
p

1 1 Cw
f
f 1 1 C w p
f
• 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：
Cv Vp Vp Vf
单位体积液体所拥 有的固体颗粒体积 为：
m f p f
m f C Vf p m
' v
Vp
• 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： Mp p m f p Cw Cv M p M f p f m m
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
24 10 Re p 1 C Re p
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
m
1 0.5Cv
1 Cv
2
f
• 两相流的比热容 • 定压比热容：
• 定容比热容：
Cpm CppCw Cpf 1 Cw
Cvm CvpCw Cvf 1 Cw
• 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。
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• 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：
um 4 gDp p 3 C
• 不同沉降区的沉降末速度 • 在Stokes区： • 在Newton区： umN
ums
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

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。 3 3 • 重力和浮力 Fa D p g Fg Dp p g 6 6
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。
• 单位质量的两相流中所含固体颗粒的质量
m f p C Mf p m m
' w
Mp
• 在颗粒浓度很高的两相流中，常用到空隙率的概念
Vf Vm Vp f 1 Cv 1 Cw Cw Vm Vm 1 Cw 1 Cw f 1 Cw 1 p
• 离心力
u Fc D p 6 r
3 p

2 t
• 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
Dp u

• 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。 • 层流区（Stokes区）
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。
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 Cvm C pp Cw C pf 1 Cw 当Cw大于0.8时，迅速接 CvmCw Cvf 1 Cw
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。

p
g
18
2 Dp
3g p Dp

2
4 g • 在Allen区： umA 225


p
1/ 3
Dp
• 在一定的介质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。
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