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1、 第二章 气固两相流动 气固两相流广泛存在于煤粉燃烧、气力输 送、环保除尘等场合。 其特性参数主要包括浓度、空隙度、密度 、比面积、粘度、比热、导热系数、颗粒 松弛时间、颗粒平均尺寸等等。 2.1 气固两相流动的基本概念和特性参数 2.1.1 气固两相流动的基本概念 1气固两相流的基本特点 气体分子分布均匀，而颗粒是分散的、直径大小不同， 为了简便起见仅考虑一个平均尺寸。 颗粒相一般不作为连续介质。 颗粒相的惯性比较大，气体和颗粒之间存在着速度的滑 移，因而各自运动规律会相互影响。 颗粒之间以及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效 应。 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都 有不同
2、速度。 2粒径 粒径表示每个固体颗粒的大小程度，是判断固 体颗粒粗细程度的一个指标。如果颗粒是球 形的或近似于球形的，那么可以取其直径作为 粒径。若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进 行准确测定并将其表示出来是几乎不可能的。 许多人提出了各种各样的粒径测定方法，在这 些方法中，实际应用的大致有两种。 1）直接测定的当量直径(显微镜粒径)：当颗粒 的大小能用显微镜直接测定时可以取投影面一 定方向上的各个颗粒的最大尺寸作为颗粒的粒 径。 2）间接测定的有效直径(沉降颗粒直径)：根据 颗粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有 效直径。它主要用于测定不能用筛网计测的极 小微粒。首先测定出球体颗粒的沉降速
3、度，再 根据公式求出沉降速度相应的球体直径。 3粒度分布 颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒， 对不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可 以用粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如 下：首先取出一部分代表性物料，将颗粒径按 几微米大小的间隔进行分区，分别测定个颗粒 粒径间隔间的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗 粒径为横坐标，以相同颗粒径间隔(10) 之间的 颗粒重量(或颗粒数)的百分数为纵坐标，画出矩 形图。最后将所画出的各矩形上面的线段的中 点连接，便可以得到颗粒度分布曲线。 4平均粒径 平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平 均值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。 确定平均粒径的方法很多
4、，大致有算术平均、 几何平均、调和平均、面积长度平均、体面积 平均、重量平均、平均表面积、平均体积、比 表面积、中径和多数径等。其中应用最多的是 中径和多数径。同一颗粒群用各种方法平均后 ，会得到各种不同的平均粒径值。 2.1.2 气固两相流动的特性参数 设气体固体颗粒混合物的体积为V，质 量为W，其中气体的体积为 ，质量为 ；固体颗粒的体积为 ，质量为 ，颗 粒数为 N 。 1. 质量含气率 气体质量占两相混合物质量的份额为质 量含气率，即 （2-1 ） 而 （2-2 ） 为质量含固率。 2. 容积含气率 气体体积占两相混合物体积的份额为容积 含气率，即 （2- 3） 而 （2- 4） 为容
5、积含气率。它是研究气体固体颗 粒两相流的重要参数之一。容积含气率与 颗粒的球形度、均匀程度和堆积情况有关 。颗粒的球形度小的，即形状不规则的， 由于颗粒群可以相互交错，容积含气率小 ；颗粒粒径不均匀的，颗粒群中的细颗粒 可以填充在粗颗粒之间，比粒径均匀的容 积含气率要小；密实堆积比较松散堆积的 容积含气率小。一般物料任意堆积时的容 积含气率约为0.4。 3混合比和浓度 气固两相流中的混合比（或载荷比）是指 单位时间内通过输送管道有效截面的颗粒 的质量与气体的质量之比值，用符号z表 示。 （2- 5） 其中 和 分别是单位时间通过的颗粒质 量和气体质量，当颗粒速度 等于输送 气流速度 时，则 （
6、2- 6） 混合比z是一个无量纲量。它是气固两相 流中一个很重要的参数。它的大小直接影 响输送管道内压力损失。混合比越大，对 于增大输送能力来说是有利的。但混合比 过大，在同样气流速度下可能产生堵塞， 输送压力也增高。因此混合比的数值受物 料的物理性质、输送方式以及输送条件等 因素的控制。 浓度通常的指单位容积的气固两相混合物 内所含的颗粒质量。 （2- 7） 输送浓度是指单位时间内单位容积的气体 所输送的固体重量，用符号 表示。 （2- 8） 输送浓度是有量纲量。对于稳定的均匀流 动，混合比在管道内各部分都是一定的。 但是，输送浓度由于空气的膨胀（或压缩 ），引起空气密度的减小（或增大），而
7、 使输送浓度逐渐变小（或增大）。在流道 的不同位置上，输送浓度的变化又直接影 响该处的能量消耗，所以对于这种流动可 以用输送浓度来计算压力损失值。 4. 数密度 单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相 的数密度，即 (2- 9) 两相混合物的密度 (2- 10) 这是按体积份额计算的。如按质量份额计算， 则有 （2- 11） 5球形度 实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形 的。因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一 定会与实际情况不一致。一般需要将理论公式 进行修正。 球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式 是非球形颗粒的实际表面 与非球形颗粒同体 积的圆球表面积 之比，即 （2- 12
8、） 球形度与空隙率有关，球形度越小，在密 度填充时，由于表面形状极不规则，颗粒 可以互相交错，使空隙率减小。在松散填 充时，颗粒间空隙增大，空隙率也增大。 2.1.3 气固两相流动的基本特性 1稀相和浓相 顾名思义，稀相是指气相中悬浮着很少的 固体颗粒。浓相是指气相中含有很多的悬 浮颗粒。要确切地给出稀相和浓相的界限 是很困难的。 有两种常用的区分方法：一是以颗粒的百分含量区分； 用颗粒的容积百分含量区分时，把颗粒的容积百分含量 大于某一浓度指标的气固两相混合物称为浓相，低于该 浓度指标的称为稀相。 二是从颗粒群的运动机理来加以区分。颗粒群中的颗粒 运动是受空气动力以及颗粒之间相互碰撞的两种力
9、所支 配。如果颗粒的运动的由当地气动力所支配，与颗粒-颗 粒的碰撞无关，这意味着气流中颗粒极稀少，粒子在下 一次碰撞前有足够的时间响应当地的流场变化，这种气 体-固体两相混合物的流动称为稀相流动。相反，如果颗 粒的运动主要由碰撞所支配，与当地的流场无关。这种 情况意味着颗粒很浓，颗粒在下一次碰撞前没有充裕时 间响应流场变化，这种气体-固体两相混合物的流动称为 浓相流动。 2平衡流和冻结流 斯托克斯数 气体-颗粒两相混合物的流动中，颗粒的速度 与输送气体的速度相等时，即 = 称为平衡 流。如果颗粒的速度不受输送气体的影响，或 者说，颗粒有足够的时间来响应气体流场的变 化，对于这种流动称为冻结流。
10、因此，平衡流 也可以理解为颗粒有充分时间响应气体流场的 变化，使颗粒始终保持与气体的速度相等。 平衡流与冻结流可以用斯托克斯相似准则数加 以区别，该相似准则是空气动力响应时间和流 动的滞留时间的比值。 （2- 13） 时，即 ， 接近 ，称平衡流 。 时，即 ，不受流场变化的影响 而接近常数，称冻结流。根据经验， 的流动可看着平衡流。 3颗粒的沉降速度和悬浮速度 研究气流中颗粒的运动，很重要的问题是 要知道颗粒的大小以及它的特性。颗粒的 特性首先明显的表现在沉降或悬浮速度上 。 沉降速度的计算式 （2-14） 圆球的阻力系数 通常称为“标准阻力系数 ”。 4. 松弛过程 气体-颗粒流的主要特点是它们有不同的速度 ，也可以有不同的温度，以致两相间必然发生 相互作用；颗粒受到气流的阻力作用，而且与 气体有热交换。这样互相作用的结果，就使它 们的速度、温度逐渐接近，最终达到某种相对 平衡状态。它们接近的瞬时速率决定于该瞬时 的速度差和温度差。这样的接近过程称为松弛 过程，并用松弛时间表示其特征时间 1）速度松弛? 2）温度松弛? Thanks for your attention!
