流体力学第13章

当 Re
20 的小颗粒：mf
dp 2(k f )g 1650
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当 Re 1000
的 大 颗 粒 ：mf
dp(k f )g 25.4 f
※曲线1表示均匀粒度的床层压降与速度的关系；使用宽筛
分物料时，如曲线2所示，没有明显的临界点，夹带现象也较早
出现。
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三．气力输送流动原理
1. 悬浮过程分析 在竖直管中，只要气流对粒子的作用力与颗粒重力相平衡，
流过流道截面时的速度。
0
V A
G
A
m
s
∵ A
A
∴ A A,代入左式有：
0
V A
G m
A
s
V 为气相的真实速度。
A
退出
同样：0 （1 ）
∵ 1
∴
0
,
0
※折算速度可以通过连续流动和能量平衡条件计算得到，而
实际速度却很难计算。
两相流介质的实际速度差积及滑差
两相介质的实际速度比称为滑差比：
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一．固定床流体力学原理
为了简化分析，假定床层是由均匀的圆球堆积而成
1. 床层结构参数
①堆积重度 d ：单位床层体积内物料的重量。
d
G(N V
m3 )
②空隙率
：空隙体积在整个床层体积所占的份额：
Vk V
（1）.随意填充床层，各部分的 大致相同
（2）. 与物料筛有关，每组分小于但组分，筛分越宽，
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四．两相流动的均匀流模型和分流模型
均流模型：将两相流看成为一种均匀介质流动，具有均一 的流动参数，是气液两相介质的相应参数的平均值，建立的前提 条件是： ①气液两相流动速度相近； ②两相介质已达到热力学平衡； ③计算摩擦阻力损失时，使用单相介质的阻力系数。
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分流模型：将两相流动看成为气、液各自分开的流动，每 相介质有其平均速度和独立的物性参数。这就需要预先确立各自 所占流通截面分额即真实含气率或每相的真实流速，以及每相介 质与界面的相互作用，目前主要是利用实验研究得到的经验公式， 建立的条件是： ①各自有按所占流通截面计算的截面的平均流速； ②尽管两相之间有质量转移，但处于热力学平衡状态； ③除流动基本方程外，还需建立两相流动摩擦阻力折算系数与真 实含气率和流动特性参数的关系式。
稳定的气柱，液相介质在壁面形环状液膜，含有
微小气泡，这种机构在两相流所占范围最大，几
何轮廓比较明显，有可能进行分析计算。
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水平流道中的流动机构：
水平流道中由于重力作用，出现了分层流动和波状流动 ①泡状和弹形结构：与前述的区别在于气相偏向上侧； ②分层流动：当气相介质流速较低时，出现分层流动； ③若气相流速再进一步增大，两相界面搅动出现向前移动的波峰 称为波状机构； ④气相流速再增大时，波峰涌起形成液块，成为块状机构； ⑤当气相流速很高时，则出现环状机构，但液上下不均匀； ⑥当气相流速极高时，环状流动发展成为雾状流动。
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②沸腾床流动：固体颗粒尺寸较小，气固间相对速度 相当高，但还不足以将颗粒全部吹走以至破坏颗粒 床层。固体颗粒在床层中作时上时下的沸腾状运动。
③悬浮状运流：颗粒更小，一般小于100微米，气流速 度更高，气固间的相对速度能保证固体颗粒悬浮在 气流中，固体颗粒随气流运动，不存在明显界限的 床层，这种运动属于气力输送过程，也称悬浮状流 动。
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垂直上升流道中的流动机构
①泡状结构：气相借支以气泡状分散在连续的液 相中，往往按均匀介质处理 ②弹形结构：由于汽泡的趋中效应，小气泡聚并 成大气泡，每个大气后面有许多小气泡，每个大 气泡后面有许多小气泡跟随，在低压下容易出现， 在高压下所占范围很小。
③块状结构：两个大气泡之间由块状液流分开。
④环状结构（柱状结构）：气相介质在中心形成
其次，在气液两相流动中，两相的分布可以是各种各
样的，可能是密集的或均散的，当密集时可能发生聚并现 象，甚至两相截然分开，这种不同的分散状态称为两相流
动的流动机构或流动型式。流动型式的不同不但影响力学
关系，而
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且还影响到传热及传质性能，因此两相流动机构是两相流体 力学重要的研究方面。
研究方法：在广泛实验的基础上，根据流体力学理论 建立两相流动模型，通过计算取得流动参量之间的关系式， 作为设计计算的依据。 实验方法：
Sb ——床层物料的全部表面积
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式中：d S
4VK Sb
4 Sb
1
(V
4 V VK ) 1
VK Sb
4 (1 )a
为单位物料体积所具有的表面积，称比表面积。
对于圆球： a V
Sb VK
d 2 d3
6 d
6
∴均匀圆球颗粒的水力直径为：d s
2d 3(1 )
2.床层阻力：流体在床层两端的压降 P P1 P2
机构模型处理法（但尚未广泛使用）。常用的两种方法是均 流模型和分流模型处理法。精度不高，计算简单。 退出
为确定气液两相流动特性和传热特性，首先要判断是否属于 层流或紊流，以及是否出现二次 涡流，更重要的是要明确其属 于哪一种流动机构。
流动机构的测量方法： ①低速：直接观测，闪光摄影或快速摄影
②高速：x射线或 射线，通过对真实含气量 的测量经
x G G G G G
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②容积含气率（体积含气率）： V V
V V V
x 与 的关系：
x
(1
)
(1
)
(1
)
通常在汽、水两相流中，x可以通过热平衡条件决定。 ③真实含气率（截面含气率）：在两相流的任意流通截面中， 气相截面所占总流通截面面积的比例分额。
A Al V
A Al V
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与 不 同 ， 越大，密度越小，两相介质越轻，反之 越重；但是 不能表示这种特性，以为气、液介质的流速不 同，所以 不能表示存在流道内的气体介质体积与总体积 之比，基于这种特性， 是一个非常重要的流动参数。
2.介质的折算速度和流量速度
折算速度（假定速度）：假定两相介质中任一相的介质单独
过数据分布处理确定流动机构。 ③其它：电导法、热线法、激光衍射法。
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目前划分的方法有两种
泡状流动 弹性流动 分层流动 波形流动 块状流动 环状流动
均匀流动 间歇流动 分离流动 分离流动 块状流动 环状流动
※对机构的划分仍未十分成熟 特别是界限的划分仍须通过 实验修正
※第一种是常见的划分法 第二种便于数学处理
d p 同体积的球形颗粒的直径
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单位床层底面面积上的物料重量为：
G
A
H mf
(1 mf
)
(k
f
)g
k ——颗粒密度
将式②③代入①，并整理成无因次量：
1.751s mmf f3
(
f
d 2 p mf
)2
150 (1 mf 2 3
s mf
)
d pmf
f
3
dp f (k f ) 2
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3. 两相介质密度：
①流动密度：单位时间流过流道截面两相介质与体积比：
0
G V
G
A
0
1
(1
)
0
(1
)
(
)
0
※ 流动密度是在稳定流动情况下流过流道的两相介质的质
量与体积计算得到的，所以它反映两相介质流动的密度，常用于
计算摩擦阻力和局部阻力。
②真实密度：流道中某一截面上两相介质的实际密度：
气液两相流动中为了便于计算和实验数据处理，常常使用折 算参数（假定参数、视在参数、表象参数），实际上并不存在， 它只是计算中的一种处理方法。
气液两相流动中为了便于计算和实验数据处理，常常使用折 算参数（假定参数、视在参数、表象参数），实际上并不存在， 它只是计算中的一种处理方法。
①质量含气率：单位时间内流过某一流通截面总质量G中气 相介质质量所占的分额
实参数实验：在实际使用参数下用实际介质实验； 模化实验：用模化介质在较低参数下进行，所得结果 再通过生产设备或少量实参数实验进行核较。 数学模型计算法：借助计算机建立包括流动、传热、 传质的数学模型，直接通过计算得到结果，并通过实验作 必要的修正。
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二．气液两相流动参数
1. 气相介质含量（含气率）：有三种表示方法
第十三章.两相流动初步
§4.1气液两相流体力学 一.概述
气液两相流体力学研究气体（或蒸汽）与液体两相介
质共流条件下的流动特征。 两相介质有相的分界面，除去流道壁与介质之间存在
作用力外，在两相界面之间也有力的作用，同时有能量交 换，必然伴随有能量损失，这是气液两相流区别于单相介
质流动和气固两相流动的特点。
④呈转动状态的粒子，当粒子下部逆着气流，而上部顺着气 流转动时，会产生向上的举力
退出
重力作用则总是使颗粒做倾向于下沉，因此只有告速水平流
退出
4.2 气固两相流体力学
在工程设备中，经常遇到流体中夹带固体颗粒，或流体 在固体颗粒层中的流动情况。将有固体颗粒和气体介质并存 的流动过程称为气固两相流体的流动过程。
如固体物料制粉系统中的粉状物料的输送与分离，气固 反应过程，各种型式净化气体的除尘设备中都存在气固两相 流动过程。按流动特点气固两相流动可分为下列几种流动形 式： ①固体床流动：颗粒尺寸较大的固体物料，在支撑栅篦或链 条上 形成稳定的料层，颗粒之间以及颗粒与栅篦之间没有 相对运动，气体以较慢速度从料层中流过。
P
4
H
2 f
ds 2
f
4
H
2 A
ds 2
f 2
f ——实际流速
A ——空床流速
退出
二．流化床的流体力学原理
1.流化现象
流体低速时，颗粒静止，形成固定床。随流速的增大，床层
两端压强增大，达到和床层物料重量相等时，开始进入流化状态。
固定床和流化床的分界点称为临界流化状态。
退出
处于临界流化状态的床层均匀而且稳定。 随着速度的进一步提高，床层的稳定性被破坏，有许多 大大小小的气泡，气泡以气相为主，称为鼓泡（聚式）流化 床。在底部气流均匀，气泡很小，随着气流上升，气泡合并， 速度越来越快，所以在气流速度很高时，大部分气流以气泡 形式流过床层，床层的流化程度并不很高，俗称为短路（沸 涌） 随着床层内流体速度增大，颗粒夹带量亦增大，当流体 速度超过固体颗粒的极限降落速度时，床层的上界面由模糊 到消失，密相流化床受到破坏，流动转为气力输送状态。
粒子就将悬浮起来，而在水平管道中粒子悬浮的机理要复杂得多， 粒子重量和许多作用力相平衡才能悬浮。
①气流湍流时，气流中存在许多小旋涡，旋涡的垂直向上分 力能帮助悬浮；
②粒子与存在凹凸不平的壁面相撞时，使颗粒的一部分水平 动量转变为垂直动量；
③不规则形状的粒子在迎风方位时，水平运动的气流对粒子 产生向上分力；
G G
A A
G G
G G
A A
A A
1
x
x
1
退出
流量速度：两相介质单位时间流过截面的总体积与截面积
比
V
A
V
0
循环速度：将两相介质均折为液的体积，按此体积流量算
出的速度称为循环速度。
0
V V
A
V
A
A
V
A
0
ห้องสมุดไป่ตู้
(1
)
于是有：
0
0
(0
0)
0
(1
)
C
Al
(1 ) Al
Al
(1 )
※真实密度只能用于计算流道中介质的质量或重量，不反映其特
性。
退出
4.循环倍率和质量流速
①循环倍率：两相介质总质量与气相介质质量之比
k G G 1 0
G
x
0
②质量流速：通过单位流截面两相介质总质量，用 0 表示
0
G A
0 0
退出
三．气液两相流动机构
气液两相介质的分布状况称为两相流动机构（流动型式） 气液两相流动的流体力学特性与两相介质的相已存在和分布 状况有关。因此在讨论流体力学特性以前，首先要了解流动机构， 然后再应用连续性方程，动量方程和能量方程等对流动特性进行 分析与求解。 气液两相流动机构究竟有多少种，严格说来很难区分，其间 也没有明显的界限，但是在一定的粘度范围内可以认为地区分为 有限的几种机构，即便如此，流动特性的数学处理也是非常复杂 的，借助于计算机对流动机构进行计算的处理方法称为流动机构 模型处理法（但尚未广泛使用）。常用的两种方法是均流模型和 分流模型处理法。精度不高，计算简单。
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2.临界流化速度和流化床压降
P G
①
A
经验公式：P 150 (1 mf )2 mf
1 1.75
mf
f
2 mf
H mf
mf
d2
2
sp
3 mf
s dp
②
H mf mf mf 分别代表临界流态化时的床层高度，空床速度
（亦称临界流化速度）和床层空隙率
球体粘度
f 流体密度
s 球形度
越 小 ； （3）.不规则颗粒床层的 大于球形颗粒床层的
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（4）. 一般由物料床层的真实重度 和堆积重度 d
求出： 1 d z d
z
z
一般在0.3～0.5之间
③水力直径 ds 床层中颗粒间隙是气体流通的不规则的管道，
因此用 ds
作为形状参数。 ds
4AK U
4VK Sb
AK ——平均空隙截面； U ——流体颗粒接触的湿润周长；