声（电）

发布时间：2020-06-27 09:08

【摘要】：超细颗粒在流化床内极易发生团聚,导致部分颗粒以沟流形式存在,使流化质量下降,超细颗粒的利用效率大大降低。为了强化传质和传热过程,本文通过实验研究与模拟计算相结合,研究了声(电场)-机械振动耦合物理场对强化气固流化床超细颗粒流动特性的影响规律。首先研究了声场对气-固流化床超细颗粒流动特性和次级颗粒团聚体特性的影响。实验采用空气和c类Pcaco3型超细碳酸钙颗粒为气固流化介质,声压级90-150 dB,声波频率30-8000 Hz。研究结果显示,无沟流现象均匀自由鼓泡的气-固流化条件随着超细颗粒加入量增加,当声压级一定时,声波频率范围减小；在保证均匀流化的频率范围内,次级团聚体粒径与声波频率的关系曲线不是单调变化趋势,最小次级团聚体粒径对应的最大响应频率大约为120 Hz,最大响应频率与床层内声压级和颗粒加入量无关。在通过分析声场对流化超细颗粒的作用原理,建立了气固两相流动模型和声场-流场耦合模型。为了进一步研究声场作用对超细颗粒形成大尺寸团聚体和次级团聚体从大尺寸团聚体上分离的影响规律,分析流化床中气流引起的动力学应力和颗粒团聚体粘性力,建立了团聚体／次级团聚体振荡模型,并采用实验数据对该模型进行验证,预测了声场作用对次级颗粒团聚体尺寸的影响。采用FLUENT分别模拟了声场与流体耦合作用对流化床内气、固相流场的影响。模拟结果表明,声能随表观气速增加而增加明显,表观气速0.057 m·s-1为流型从固定床到流化床的过渡点。声能在整个床中分布不均匀,在床层底部和顶部区域数值较小,而在床层中部区域数值较大。当颗粒粒径一定时,随着声压级增大,最小流化速度略有增加。固体颗粒浓度由壁面区向中心区逐渐减小,呈抛物线分布。远离壁面区,固体颗粒浓度随声压级的增大而增大,声场对壁面区域固体颗粒浓度影响较小。其次,研究了电场对气-固流化床超细颗粒流动特性的影响。实验采用空气和C类Pcaco3型超细碳酸钙颗粒为气固流化介质,电场强度范围为0-400 kV·m-1,电场振动频率范围为0-1000 Hz。外加电场采用并流电场、交互电场和变电场三种不同模式。实验研究了三种不同电场模式下电场强度、电场振动频率和表观气速对颗粒体积分率相对变化的影响。实验结果表明,当加入电场时,床层膨胀明显增加,颗粒流化均匀性增强。通过对超细颗粒运动方程,流体力方程,接触力方程和粘性力方程的系统分析,建立了电场-流场耦合流化床数学模型,并用FLUENT研究了电场流化床中Pcaco3型碳酸钙超细颗粒流化行为和运动轨迹。采用TFM方法,在Rokkam等提出的模型基础上,建立了求解外加电场下的静电模型,对外加电场下气固流化床内的电势分布和颗粒运动进行分析。模拟结果表明,在低电场振荡频率时,颗粒在流化床底部原位置附近运动；当电场振荡频率达到20 Hz时,颗粒在床中自由上下运动；进一步增大电场振荡频率,颗粒运动明显呈现混沌现象,颗粒运动进一步受到限制。对三种不同电场模式的颗粒体积分率相对变化的影响进行了实验值与模拟值比较,三种不同电场模式的实验值与模拟值具有较好的一致性,说明所建立的电场-流场耦合模型能够较好地预测颗粒体积分率相对变化规律。在以上研究工作的基础上,论文进行了声(电)场-机械振动耦合过程对气固流化床超细颗粒流动特性影响的研究。在声场-机械振动流化床实验过程中,采用空气为气相,4种不同类型固体粉末作为固相,平均粒径为1.2-74.7μm,4种固体粉末为Pa-sio2型二氧化硅粉末、Pt-sio2型二氧化硅粉末、Pcaco3型超细碳酸钙粉末和Pt-caco3型普通碳酸钙粉末。选用6种不同声压级,机械振动频率可达到300 Hz,振幅为1-30 mm。在电场-机械振动流化床实验过程中,采用空气为气相,Pcaco3型碳酸钙颗粒作为固相,水平电场强度为4 kV·cm-1,采用5种不同机械振动频率。实验分别对声场-机械振动流化床和电场-机械振动流化床超细颗粒流化特性进行了系统研究。研究结果表明,对于Pa-sio2型二氧化硅颗粒,同时采用机械振动和声场方式,与单独采用机械振动相比,最小流化速度明显降低。当无因次机械振动强度和声场强度分别为5.64和0.53时,最小流化速度数值最小。对于Pt-sio2型二氧化硅颗粒,当水平机械振动强度一定时,随着声场强度增加,颗粒团聚体尺寸明显减小。当声场强度一定时,机械振动强度对颗粒团聚体尺寸影响不大。对于Pcaco3型碳酸钙颗粒,声场强度对最小流化速度和颗粒团聚体尺寸的影响比水平机械振动强度大。对于Pt-caco3型碳酸钙颗粒,水平机械振动强度和声场强度均有利于减小颗粒团聚体尺寸,Pt-caco3型碳酸钙颗粒团聚体尺寸范围为90-590μm。单独应用电场,导致Pcaco3型碳酸钙颗粒床层产生塌陷现象；单独应用水平机械振动时,有利于床层膨胀状态；同时应用电场和水平机械振动场,水平机械振动能够抵消由静电场诱导引起的床层塌陷现象,而电场能够抵消由水平机械振动诱导引起的床层膨胀现象,电场和水平机械振动共同诱导引起的团聚体不稳定流动。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.13

【参考文献】