稠密颗粒射流撞壁和撞击过程颗粒流动行为研究

发布时间：2020-06-11 23:20

【摘要】：稠密颗粒撞击流是多喷嘴撞击流气化技术关键科学问题,其研究结果对气化炉的设计、放大和优化有重要科学意义和参考价值。本文运用高速摄像仪、PV6D型颗粒速度测量仪和离散元(DEM)数值模拟等方法,系统研究了稠密颗粒射流撞壁和撞击过程的颗粒类流体行为及其不稳定性,并提出了流动模式及其不稳定性的调控原理和方法。具体内容归结如下:1.运用实验和数值模拟相结合的方法研究了稠密颗粒射流撞壁的类液体颗粒膜和散射机理及调控方法。实验研究结果表明,随着颗粒射流直径与颗粒粒径之比(D/d)和颗粒射流固含率(χp)的增大,散射模式转变为颗粒膜,获得了两种流动模式转变的临界参数和判别表达式。模拟结果进一步表明,增大D/d和χp显著地提高了撞击区内颗粒间碰撞频率,从而降低颗粒间碰撞力和颗粒速度波动,最终导致颗粒膜的形成。提出了一种通过改变颗粒射流固含率来调控稠密颗粒撞壁流流动模式的方法。2.对稠密颗粒射流撞壁颗粒膜表面类液体波纹结构进行了实验研究和数值模拟。研究结果表明,随着颗粒射流速度增大和固含率降低,颗粒膜表面逐渐形成波纹结构;颗粒膜波纹结构存在对称和非对称两种传播模式,且传播过程中存在波纹融合现象,导致波纹频率降低以及波长增大。当增加喷嘴出口段长度或喷嘴内嵌入筛网,喷嘴内增强的气固相互作用引起颗粒射流不稳定,进而导致颗粒膜表面形成类液体波纹结构。模拟结果进一步表明,颗粒射流振幅越大且斯托朗哈数(St)在0.2-0.8范围内时,颗粒膜波纹结构越显著。3.采用两台高速摄像仪同时从正面和侧面捕捉了两股稠密颗粒射流撞击的流动模式,考察了颗粒射流固含率、颗粒粒径、颗粒射流直径、撞击角和颗粒射流速度对流动模式的影响规律,获得了流型参数空间分布。研究结果表明,随着颗粒射流固含率增大,颗粒射流撞击依次呈现穿透模式、散射模式和类液体颗粒膜三种流动模式。DEM模拟结果进一步表明,提高颗粒射流Jχp和D/d时,增大的颗粒间碰撞频率能显著地降低撞击区内颗粒间碰撞力和速度波动,导致颗粒撞击后沿径向运动形成颗粒膜。通过改变颗粒射流固含率,可以有效地调控颗粒膜和散射两种流动模式以及颗粒弥散效果。4.研究了稠密颗粒射流撞击颗粒膜非轴对称振荡及波纹结构,揭示了颗粒膜不稳定性产生机制及调控方法。结果表明,随着颗粒射流速度增大和固含率降低,稠密颗粒射流撞击颗粒膜发生非轴对称振荡;颗粒膜时均振荡频率稍小于射流扰动频率,且随着颗粒射流速度增大而线性增大,撞击角对频率影响不明显;颗粒膜时均振幅沿传播距离线性增长,且随着颗粒射流速度和撞击角提高而增大。当颗粒射流扰动较小时,颗粒膜表面形成波纹结构;随着扰动幅度增大,发展为非轴对称振荡。颗粒射流不稳定性会引起撞击点动量不平衡,导致颗粒膜非轴对称振荡。改变颗粒射流固含率可以实现撞击不稳定性,调控颗粒膜非轴对称振荡,进而有效改善撞击流的弥散效果。
【图文】：

原理图,撞击流,原理图

应用在燃烧与气化、粉碎与研磨、吸附与萃取、干燥以及纳米材料合成等工业生产中。逡逑２．１．１撞击流基本原理逡逑如图２．１邋（ａ）和（ｂ）所示，撞击流可分为单股撞壁流和多（两）股撞击流，均相逡逑或非均相射流离开喷嘴后与壁面或相互碰撞形成一个高度湍动、大剪切应变速率的撞击逡逑区，能够有效地降低传递过程中的外部阻力，强化热、质传递，促进混合。撞击流流场逡逑一般可以分为以下三个区域：一是流体离开喷嘴以后到还没有撞击之前，如同单喷嘴的逡逑自由射流称为射流区；二是流体撞击过程形成撞击区；三是撞击后流体改变方向形成的逡逑区域称为径向射流区。逡逑Ｆｌａｔ邋Ｐｌａｔｅ邋Ｒａｄｉａｌ邋Ｊｅｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ逦＼邋，ｔｉｒｆ逡逑ｙ邋Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ逦＼逦Ｌ逡逑？ｖ邋ｊ逦，邋Ｆｉ．ｅｅ邋Ｊｅｔ邋ｒｅｇｉｍｅ逦Ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ邋ｐｏｉｎｔ邋（￣逡逑＾邋１逦，邋Ｐｏｔｅｎｔ邋ｉａｌｅ邋Ｃｏｒ逦／逦＼逡逑＼逦，Ｎｏｚｚｌｅ逦Ｎｏｚｚｌｅｌ逦Ｎｏｚｚｌｅ２逡逑＼邋ｆ逦Ｉｍｐｉｎ＾＾ｉｅｎ＾逡逑＾逦ｒｅｇｉｏｎ逦Ｍ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．１撞击流原理图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ邋ｊｅｔｓ逡逑Ｅｌｐｅｒｉｎ［５］和Ｔａｍｉｒ［７］的研究结果认为撞击流强化传递主要表现在：（ａ）对于气固撞击逡逑体系，，颗粒多次振荡及渗入反向流而延长撞击区中颗粒的平均停留时间；（ｂ）对于液相逡逑为分散相的体系

原理图,多喷嘴对置,气化技术,撞击流

应用在燃烧与气化、粉碎与研磨、吸附与萃取、干燥以及纳米材料合成等工业生产中。逡逑２．１．１撞击流基本原理逡逑如图２．１邋（ａ）和（ｂ）所示，撞击流可分为单股撞壁流和多（两）股撞击流，均相逡逑或非均相射流离开喷嘴后与壁面或相互碰撞形成一个高度湍动、大剪切应变速率的撞击逡逑区，能够有效地降低传递过程中的外部阻力，强化热、质传递，促进混合。撞击流流场逡逑一般可以分为以下三个区域：一是流体离开喷嘴以后到还没有撞击之前，如同单喷嘴的逡逑自由射流称为射流区；二是流体撞击过程形成撞击区；三是撞击后流体改变方向形成的逡逑区域称为径向射流区。逡逑Ｆｌａｔ邋Ｐｌａｔｅ邋Ｒａｄｉａｌ邋Ｊｅｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ逦＼邋，ｔｉｒｆ逡逑ｙ邋Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ逦＼逦Ｌ逡逑？ｖ邋ｊ逦，邋Ｆｉ．ｅｅ邋Ｊｅｔ邋ｒｅｇｉｍｅ逦Ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ邋ｐｏｉｎｔ邋（￣逡逑＾邋１逦，邋Ｐｏｔｅｎｔ邋ｉａｌｅ邋Ｃｏｒ逦／逦＼逡逑＼逦，Ｎｏｚｚｌｅ逦Ｎｏｚｚｌｅｌ逦Ｎｏｚｚｌｅ２逡逑＼邋ｆ逦Ｉｍｐｉｎ＾＾ｉｅｎ＾逡逑＾逦ｒｅｇｉｏｎ逦Ｍ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．１撞击流原理图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ邋ｊｅｔｓ逡逑Ｅｌｐｅｒｉｎ［５］和Ｔａｍｉｒ［７］的研究结果认为撞击流强化传递主要表现在：（ａ）对于气固撞击逡逑体系，颗粒多次振荡及渗入反向流而延长撞击区中颗粒的平均停留时间；（ｂ）对于液相逡逑为分散相的体系
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ541

【相似文献】