固液两相二次流现象及其研究_湛含辉

1 二次流现象
在大自然和人们生产生活中 , 流体流动现象无 处不在 , 小到溪水 河流 、 管 道流体 , 大到 “龙 卷 风” 、 泥石流 。 它们归纳于重力场 、 离心力场或机 械能等转换作用 。在这些流体运动过程中 , 我们能
＊湖南省自然科学基金 , 编号 01JJY3015。 收稿日期 :2002-04-15 第 1 作者简介 :湛含 辉 男 , 1961 出生 , 现任株 洲工 学院 环保所所长 , 博士后 , 主要从事环保领域的研究 。
图 3 单个筒体内部或两筒体之间的二次流
2 二次流定义及固液两相二次流现象
二次流是指一种非主流方向的流动 , 它的存在 至少必须具备两个条件 :①流体作曲线运动 (离心 力存在);②流体本身或与固体边壁有剪切力存在 。
如图 4 , 在一平底 (或锥底)的容器中 , 当单 相流体以一定的转速旋转时 , 我们取一流体单元分 析其受力情况[ 2 -6] , 在假设整个流体满足动量方程 (包含剪切力 、 重力 、 压力和动量等) 时 , 此时可 列出沿半径 r 方向的欧拉方程 :
第 3期 2002 年 6
月
COAL P选RE PA R煤AT ION 技T EC HN术OLOGY
JuNn.o.20302
固液两相二次流现象及其研究 ＊
湛含辉 , 张晓琪 , 戴财胜 , 张晶晶 (株洲工学院 环保所 , 湖南 株洲 412008)
在底部区域 , 由于流体的粘性及与固体边界的 剪切力 , 流体 的切向速 度 (v )变 小 , 流体 的离
心力不能平衡其压力梯度 (Pr), 因此其流体偏向 中心 , 修正这种不满足上述假设动量方程而偏向中 心的流动我们叫它二次流 (其作用 厚度为 δ∝μω。 当然 , 从 广义的角度出 发 , 还有一种 人为的二次 流)。在实际中 , 单相二次流的流场参数和几何边 界等远非图 1 所表达的那么简单 。
采用泵及压缩空气联合入料 , 既避免了泵的气 蚀 , 又减小了入料罐的体积 , 充分发挥泵及气源各 自的优势 。系统简图如图 5 。
图 5 静空压联合 式系统简图
5 结束语 本文对精煤压滤的操作进行分析研究 , 导出了
优化方程 , 可以准确地选择压滤机并确定最佳操作 参数 , 各工艺系统的选用 , 应视煤质性质 、 工艺特 点 、 精煤用途 、 储运方式及要求 , 合理选用不同的 配置系统 , 提高经济效益 , 完善煤泥水系统 。
型。
另一种比较直观而简易的方法是 :在一有机模
型中加入一定粒级的有色颗粒 , 变化流体运动参数
(如 ω、μ等)来研究二次流流场的物理模型 , 这一
方法对某些工程中的现象特别实用 。
我们在试验的研究中 , 以水为流体 , 变化旋转
角速度 ω(1 ～ 10r min), 以平底圆筒为容器 (半径 r =50 ～ 200mm), 得到了一组二次流场旋转面函数
1 , 它有将最大速度区域向外壁移置的作用 。弯曲的 水渠及河流也可看作 “半个管道” , 原理也是如此 。 其次 , 当流体在一个平底圆筒中作圆周运动时 , 靠 底部的流体层中的流动 , 因其 “离心力” 较小而流 向向内 , 如图 2 。再者 , 就是在旋转流体的筒体内 部或两筒体之间的二次流 , 如图 3[ 1] 。
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The Phenomena of Solid -Liquid Two Phase Secondary Flow and Analysis Made on It … … Zhan Hanhui et al (13) Abstract :The research on secondary flow will help one to recognize and resolve many problems found in natural world and in industry .The secondary flow can be present in curved motion of all sticky liquid flow .It is demonstrated from basic experimental research on secondary flow that the secondary flow exists at bottom of circle , taking a form of rotary surface and this can serve a function that forces the particle to move to center .The action force which differs from centrifugal force can be expressed by approximation function relation . Keywords :secondary flow , streamline diagram , ” removing” force Research on Carbon Reduction and Sulphur Concentration of High Carbon Pyrite … …… Wang Longgui et al (16) Study on the Technology of Application of FGX -3 Compound Dry Coal Separator … …… … Mi Wanlong et al (18) Study on Identification Method of Self -Adaptlive Neuroid for Coal Gangue … …… …… Liu Wenzhong et al (22) Abstract :Analysis and discussion is made in the paper on the characteristic vector of measurement of ash content in coal gangue .Through experiment , K value and the ratio of I J was selected as input of neuroid .Density weighted distance based FCM neuroid caters for variance of different data in general distribution and after suitable selection of density distribution function , it makes contribution to constraining the influence of stray specimen with larger error on neuroid' s learning . Keywords :MATLAB API , FCM , coal gangue separation
(2)二次流存在于粘性流体作曲线运动的一切 过程中 , 它的影响作用主要取决于流体的粘性和流 场受离心力的大小 。它分布于流场的 “边壁” 甚至 整个流场中 。
(3)对二次流的研究手段主要是在试验室里进 行最基本的模型观察 、 流场测试以及结合量纲分析 和理论推导 。
(4)通过对圆形底部的初步研究 , 我们发现底 部二次流是一旋转曲面体 (如公式 4 所表达的), 并 且它对颗粒存在具有一定函数关系的 “搬移” 力 。
F′=f (m·ω)
… … (5)
式中 :F′为 颗粒受 的 “搬 移力” , 方向向 内 。
不难看出式 (5)有两个特点 :①接近理论的牛顿 公式 F =ma =m ·rω2 ;②F′与离心力F 的方向
不同 。
需要指出的是 :当颗粒质量较小 , 并且受的离
心力也较小时 , 颗粒受二次水流的推动力 F′起主
摘要 对二次流的研究有助于我们认识和解决许多自然界及工程问题 。二次流存在于一切粘性流 体作曲线运动中 , 通过试验室最基本的二次流研究发现 :二次流场以旋转面存在于圆形底部 , 并 且对颗粒有 “搬移” 到中心的作用 , 此作用力不同于离心力 , 但也可用相近的函数关系表示 。 关键词 二次流 流线图 “搬移” 力 中图分类号 :O376 文献标识码 :A
图 1 曲管 中的二次流
图 2 圆筒 中的二次流
图 4 二次流受 力分析图
进一步 , 如图 5 , 当向单相流体中加入固体颗 粒 (此时为两相流体)时 , 底部的颗粒受二次流的 作用也偏向中心 , 这就是固液两相流体的二次流现 象 。但由于固相颗粒的大小 、 密度 、 形状等不一致 以及给定的流场参数和几何边界条件不一样 , 出现 如图 5 的二次流现象将大不一样 , 所以比单相二次 流更为复杂 , 而且呈现出固相颗粒特定的运动 (沉 降 、 分级 、 分选及迁移等)规律 。因此 , 仅仅停留 在如图 5 的二次流现象上 , 远远不能说明工程上各 种复杂的几何边界 、 流场参数和固体颗粒所带来的 问题 。
P = ρv2 rr 式中 :P 为流体的压力 ;ρ为流体密度 ;v 为流 体切向速度 。 14
图 5 固液两相二 次流现象图
流场有剪切应力梯度的存在 , 包含二层意义 : ①流体是粘性流体 (以液体运动粘度系数 μ来计 算);②流体可在一固定几何边界条件下 , 也可在 一假想 “固化” 几何边界条件下运动 , 进一步说二 次流也存在 “传递机理” 。
根据压滤机所承受的最高压力 , 用最大的生产 力公式求出所需的最小过滤面积 , 作为确定过滤面 积的依据 , 当过滤面积一定时 , 人们总是希望在较 低压力下操作 , 以降低操作费用和设备费用 。 但操 作压力与操作周期有关 , 只有在最佳操作周期下才 能使操作压力最低 。
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第 3 期 选 煤 技 术 2002 年 6 月 25 日
参 考 文 献 1 湛含辉 .水介 质旋流 场的 分选 机理[ 学位论文] .长沙 : 中南工业大学 , 1991 2 W.Jitchote .Flow of Second Order Fluids in Curved Pipes. Journal of Non-Newtonian Fluids Mechanics.2000 3 A.M.Robertson , W .Jitchote , S.Chanchawichak .Flows of Viscoelastic Fluids in Curved Pipes :The Effect of Zero Second Normal Stress Difference on Flow in Curved Pipes .Bulletin of the American Physical Society , 1998 4 J.Pallares and L.Davidson .Large -Eddy Simulations of Turbulent Flow in a Rotating Square Duct .Physics of Fluids , 2000 5 Jamel Orfi.Laminar Mixed Convection in the Entrance Region of Inclined Pipes with high uniformly Heat Fluxes .Annual.Toronto .1998. 6 M.A.Perzl (J.P .Butler , A .Tsuda).Quantification of Bifurcation Secondary Flow at Low Reynolds Number .2000 . 7 张远君 , 王慧玉等 .两相流体动力学 .北京 :北京航空 学院出版社 , 1987
∫∫ δ=
h 0
r 0
f
(ωμ)
…… (2)
式中 :r 为圆底的半径 ;h 为二次流场沿垂直方
向的高度 。
显而易见 , 如图 6 的流线模型中 , 可建立旋转 面函数 :
h = f(r)
…… (3)
4 固液两相二次流的实验室初步研究
公式 3 也可通过流场测试后确定 , 也就是说不
同的流体运动参数决定不同的 二次流流场物 理模
响 , 系统操作简单 , 部分操作参数不可改变 , 必须 选择合适的入料泵 , 才可达到生产指标 。 4.2 空压入料式
图 4 空气压入式系统 简图
系统简图如图 4 所示 。 该系统为恒压过滤 , 速 度快 , 可依据不同的煤泥选择不同的参数 , 自流入 料 , 泵的选型不影响过滤效果 。过滤效果和生产能 力与空气的压力有关 。 4.3 静空压联合入料
曲线为 :
h h
=a +1 r (当 r ≥r0) =b +arcctg(r) (当 r ≤r0)
…… (4)
式中 :a 、b 由 ω、μ决定 (μ为水的运动粘性系
数);r0 ≈ r 10 。 并且发现二次流对不同质量颗粒
5 结 论
(1)二次流是普遍存在于自然界及流体工业过 程中的 。在工程方面 , 很多情况下存在固液两相二 次流现象 。但当二次流上升到主导或主要地位时 , 怎样防止二次流的破坏作用 , 甚至转化它们成为有 利的一面 , 使我们不得不加以重视而深入系统地研 究它们 。
“看见” 湍 流的 现象 , 但另 外一 种现 象 却很 少能 “看得见” , 这就是二次流现象 。 实际上 , 它们也是 经常存在的并且影响到我们的许多工程问题 。
从存在的形式来讲 , 我们可以归结为三方面[ 1] : 首先流体在一曲管中流动 , 则流动的核心由于其速 度较大趋于一直向前流动 , 而沿边界的速度较低的 流层产生显著的偏转 , 因而趋于流向弯管的内侧 。 所以 , 在曲管中 , 平衡于管的中心线的主流要迭加 上一个与之垂直的二次流 ;二次流在管的中心处是 向弯管的外侧流 , 而在管壁附近是向内侧流 , 如图
Hale Waihona Puke Baidu
建立数学模型[ 7] 。 如图 6 , 我们在一圆形底部 (理论锥度 0 ≤α<
90)建立了最基本 的以及最 典型简单 的二次流 流 场 。 由于主流场是在圆形底部围绕中心轴作圆周运 动 , 此时 , 重力 、 离心力及剪切力的共同作用下 , 固液两相二次流流场的物理模型图可描述为 :
的 “搬移” 或 “汇集” 作用与 ω成正比 。即
要作用 , 因而颗粒克服 离心力作用偏 转汇集于中
心 。否则情况相反 。
图 6 固 -液两相 二次流物理模型图
底面层的二次流流层的厚度 δ1 为 :
δ1 = f (ωμ)
…… (1)
式中 :μ为流体的运动粘度系数 ;ω为流体的
旋转角速度 。
按我们以上提出的 “固化” 边界层的假设依此
类推 , 整个二次流场的厚度 δ可表达为 :
3 二次流的研究手段
对二次流的研究一般从 (自然)现象出发 , 在 流体运动或动力学指导下 , 建立物理模型 (如流线 图);然后制作满足最基本的二次流试验装置进行 基础的规律研究 ;最后通过量纲分析和能量方程等
第 3 期 湛含辉等 :固液两相二 次流现象及其研究 2002 年 6 月 25 日