固液搅拌槽内颗粒运动行为及悬浮机理的研究

发布时间：2018-06-03 13:14

本文选题：颗粒悬浮 + 颗粒初始运动　；参考：《北京化工大学》2015年博士论文

【摘要】：固体颗粒在液相流体中的悬浮广泛存在于自然界及现代工业领域中,例如泥浆管道输运、河流中的泥沙输运、以固体颗粒为催化剂的多相反应体系、结晶反应体系等。以往关于搅拌反应器内固体颗粒悬浮机理的研究总是关注大量颗粒在搅拌槽内的宏观动力学行为,然而在颗粒尺度上对颗粒和局部流体的相互作用机理研究并不充分。充分认识单颗粒以及基于此基础上的颗粒群行为,得到较为准确的介观尺度上颗粒行为的规律,并将其正确地应用于宏观尺度的多相流动,对固-液两相流中涉及到的固-液悬浮操作至关重要。因此本论文通过实验和格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann, LB)方法模拟对搅拌槽内单个固体颗粒的临界运动行为及悬浮机理进行了研究,旨在获得重复性较高的颗粒动力学行为,为模拟优化和模型推导提供参考,从而为系统地研究复杂搅拌体系内的颗粒临界运动机理提供基础数据和模型。采用工业上固-液悬浮操作使用较广泛的CBY轴流型桨叶,对单个颗粒在湍流流体中的临界运动进行了初步探索。实验获得了不同桨叶离底高度下单个颗粒的初始运动临界转速NIN,并采用PIV测速技术获得了临界转速NIN时底面附近的单相流场；采用LB方法模拟实验条件下的单相流场特性并估算颗粒受力；最后根据实验和模拟结果对单个颗粒临界初始运动行为和悬浮机理研究方案进行了优化。根据优化方案,在圆盘桨叶的方形搅拌槽中,以微变形球形单颗粒(在颗粒底面磨出圆平面)在层流流体中的临界初始运动行为实验研究为基础,采用单相和有限体积颗粒的固-液两相LB方法对临界条件下的颗粒初始运动进行了预测。结果表明：(1)球形颗粒的圆平面尺寸影响颗粒的初始运动状态,球形颗粒的临界滚动转速小于滑动转速。铜颗粒(dp=10mm,ρp/ρ=8.60)的临界平面尺寸介于0.56-0.75mm之间。(2)颗粒初始位置影响颗粒初始运动状态和运动方向,从槽中心越靠近壁面,颗粒初始运动状态由滑动过渡为滚动,运动方向与径向夹角逐渐增加。(3)提出了层流搅拌槽内单颗粒临界初始运动的力学模型,认为颗粒和流体双向耦合作用下的力和力矩决定了颗粒的初始运动,较仅考虑流体对颗粒的单向作用的传统力学模型预测偏差降低了44.0%。在圆盘桨叶的方形搅拌槽中,以单颗粒在层流中的临界悬浮运动行为实验研究为基础,采用LB方法对实验条件下颗粒的临界悬浮过程进行了直接模拟,颗粒和桨叶表面采用浸入式边界格式。结果表明：(1)通过不同条件下颗粒的临界悬浮转速的分析得出层流体系下颗粒悬浮的动力和颗粒体积成正比,经模拟结果验证该悬浮动力主要由颗粒周围压力梯度引起；悬浮动力与临界转速的关系为Fsusp ∝ N1.4,说明此时搅拌槽内流体具有粘性和惯性两种特性。(2)采用LB方法对层流搅拌槽内单颗粒临界悬浮特性进行了直接数值模拟,临界悬浮转速的模拟值与实验值误差约为3%,颗粒运动轨迹和速度分布的模拟值和实验数据吻合很好。(3)亚格子润滑力对颗粒临界悬浮动力学行为无影响,但对颗粒发生悬浮前的等待时间影响较大,考虑亚格子润滑力时颗粒的等待时间和实际更为接近。
[Abstract]:In this paper , the critical movement behavior and suspension mechanism of solid particles in a stirred tank are studied by means of experiments and lattice Boltzmann method .
LB method was used to simulate the characteristics of single - phase flow field under experimental conditions and to estimate the force of the particles ;
Based on the experimental and simulation results , the critical initial motion behavior and suspension mechanism of single particles are optimized according to the experimental and simulation results . According to the optimization scheme , the initial motion of the particles under critical conditions is predicted by using the solid - liquid two - phase LB method of single - phase and finite volume particles . The results show that : ( 1 ) The particle initial position affects the initial movement state of the particles and the critical rolling speed of the spherical particles is smaller than the sliding speed .
The relationship between the suspension power and the critical rotational speed is Fsusp & lt ; N & gt ; N1.4 , which indicates that the fluid in the stirring tank has two characteristics of viscosity and inertia . ( 2 ) The simulation value of the critical suspension speed and the experimental data agree well . ( 3 ) The sub - grid lubricating force has no influence on the critical suspension dynamics of the particles , but the waiting time before the particle suspension is larger , and the waiting time and the actual closer of the particles are considered when considering the sublattice lubricating force .
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ021

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