气固流化床内颗粒旋转与碰撞特性的实验研究
气固流化床被广泛应用于能源、环境和化工等领域中，其气固流动机理一直以来都是学者们研究的重点和难点。颗粒旋转和颗粒碰撞等颗粒运动特性对气固流化床中气固相浓度分布、化学反应特性、传热传质特性和颗粒周围的气相流场分布等有很大的影响，是复杂的流化床气固两相流动机理研究的重点之一。本文通过对气固流化床内颗粒微观流动过程进行可视化测试和研究，对气固流化床内颗粒旋转、颗粒.颗粒和颗粒-壁面之间碰撞过程及其影响因素进行了实验研究。 首先，搭建了由激光片光源和高速数字摄像机构成的高速数字摄像系统，及三维冷态气固流化床实验平台，并人工分析了采用高速摄像系统获取的颗粒运动过程图像，探讨了用图像可视化方法来研究颗粒旋转和碰撞过程的可行性。 在此基础上，在所建截面为105mm×45mm高为1m的冷态流化床实验台架上对颗粒旋转和碰撞运动过程进行了实验研究，实验床料为粒径为0.3mm，0.5mm和0.7mm球型玻璃颗粒，在床料静止高度H=8mm，15mm和18mm，表观气速分别为ug=3.5m/s，4.3m/s和5.8m/s工况下，用人工统计的方法研究了颗粒旋转、颗粒-颗粒和颗粒-壁面之间碰撞率的流动特性。研究主要工作和结论如下：在相同的流场区域内，当颗粒浓度增加时，颗粒-颗粒、颗粒-壁面之间碰撞率随之增加，颗粒旋转速度也增加；在壁面区域相同的工况下，当颗粒粒径由0.35mm增加到0.9mm时，颗粒-颗粒、颗粒-壁面之间碰撞率分别由1900/s-1cm-3减小到1300/s-1cm-3和2850/s-1cm-3减小到1000/s-1cm-3，颗粒平均转速则分别由135r/s减小到45r/s，随着颗粒粒径的增大，受到碰撞率减小的影响，颗粒平均转速随着颗粒粒径的增大呈现减小的趋势；其次对相同工况下壁面区域颗粒水平分速度和垂直分速度对颗粒旋转速度和颗粒-颗粒、颗粒-壁面之间碰撞率的影响进行了研究，当颗粒水平移动速度从0.15m/s增加到0.24m/s时，颗粒-颗粒、颗粒-壁面之间碰撞率则分别由1600/s-1cm-3增加到3000/s-1cm-3和由1950/s-1cm-3增加到3150/s-1cm-3，颗粒旋转速度则由90r/s增加到150r/s，当颗粒水平分速度增加时，受颗粒碰撞率增加的影响，颗粒平均旋转速度也增加，但垂直分速度对颗粒的平均转速和碰撞率影响较小。在同一区域内，当床料静止高度分别为8mm，15mm和18mm时，其对应的颗粒平均旋转速度大致为：70r/s，95r/s和105r/s，可见当床料静止高度增加时，由于更多的颗粒参与了流化床的内循环，使稀相拍摄区域颗粒浓度增加，提高了壁面区域的颗粒碰撞率，其颗粒转速也相应增加；当表观气速分别由3.5m/s，4.3m/s和5.8m/s逐渐增大时，进入到稀相区的颗粒数增加，同时提升管内的环核流动特性更加明显，壁面区域的颗粒浓度增加，导致了颗粒-颗粒与颗粒-壁面的碰撞更加剧烈，颗粒旋转速度分别为75r/s，95r/s和120r/s。最后，对颗粒转速沿径向的分布特性也进行了研究，由于粘性流体在管内流动时壁面区域的速度梯度远大于中心区域，大量颗粒在壁面区域处结块形成颗粒团，致使此处颗粒的旋转速度小于离壁面15mm处的颗粒转速，颗粒平均旋转速度沿径向呈现先上升后下降的趋势。
气固流化床;颗粒旋转;碰撞特性;运动过程图像;可视化实验
浙江大学
硕士
工程热物理
王勤辉;程乐鸣
2012
中文
O359;TK124
79
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）