本文選題：顆粒懸浮 + 顆粒初始運(yùn)動�。� 參考：《北京化工大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：固體顆粒在液相流體中的懸浮廣泛存在于自然界及現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中,例如泥漿管道輸運(yùn)、河流中的泥沙輸運(yùn)、以固體顆粒為催化劑的多相反應(yīng)體系、結(jié)晶反應(yīng)體系等。以往關(guān)于攪拌反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒懸浮機(jī)理的研究總是關(guān)注大量顆粒在攪拌槽內(nèi)的宏觀動力學(xué)行為,然而在顆粒尺度上對顆粒和局部流體的相互作用機(jī)理研究并不充分。充分認(rèn)識單顆粒以及基于此基礎(chǔ)上的顆粒群行為,得到較為準(zhǔn)確的介觀尺度上顆粒行為的規(guī)律,并將其正確地應(yīng)用于宏觀尺度的多相流動,對固-液兩相流中涉及到的固-液懸浮操作至關(guān)重要。因此本論文通過實驗和格子玻爾茲曼(Lattice Boltzmann, LB)方法模擬對攪拌槽內(nèi)單個固體顆粒的臨界運(yùn)動行為及懸浮機(jī)理進(jìn)行了研究,旨在獲得重復(fù)性較高的顆粒動力學(xué)行為,為模擬優(yōu)化和模型推導(dǎo)提供參考,從而為系統(tǒng)地研究復(fù)雜攪拌體系內(nèi)的顆粒臨界運(yùn)動機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型。采用工業(yè)上固-液懸浮操作使用較廣泛的CBY軸流型槳葉,對單個顆粒在湍流流體中的臨界運(yùn)動進(jìn)行了初步探索。實驗獲得了不同槳葉離底高度下單個顆粒的初始運(yùn)動臨界轉(zhuǎn)速NIN,并采用PIV測速技術(shù)獲得了臨界轉(zhuǎn)速NIN時底面附近的單相流場；采用LB方法模擬實驗條件下的單相流場特性并估算顆粒受力；最后根據(jù)實驗和模擬結(jié)果對單個顆粒臨界初始運(yùn)動行為和懸浮機(jī)理研究方案進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化方案,在圓盤槳葉的方形攪拌槽中,以微變形球形單顆粒(在顆粒底面磨出圓平面)在層流流體中的臨界初始運(yùn)動行為實驗研究為基礎(chǔ),采用單相和有限體積顆粒的固-液兩相LB方法對臨界條件下的顆粒初始運(yùn)動進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明：(1)球形顆粒的圓平面尺寸影響顆粒的初始運(yùn)動狀態(tài),球形顆粒的臨界滾動轉(zhuǎn)速小于滑動轉(zhuǎn)速。銅顆粒(dp=10mm,ρp/ρ=8.60)的臨界平面尺寸介于0.56-0.75mm之間。(2)顆粒初始位置影響顆粒初始運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動方向,從槽中心越靠近壁面,顆粒初始運(yùn)動狀態(tài)由滑動過渡為滾動,運(yùn)動方向與徑向夾角逐漸增加。(3)提出了層流攪拌槽內(nèi)單顆粒臨界初始運(yùn)動的力學(xué)模型,認(rèn)為顆粒和流體雙向耦合作用下的力和力矩決定了顆粒的初始運(yùn)動,較僅考慮流體對顆粒的單向作用的傳統(tǒng)力學(xué)模型預(yù)測偏差降低了44.0%。在圓盤槳葉的方形攪拌槽中,以單顆粒在層流中的臨界懸浮運(yùn)動行為實驗研究為基礎(chǔ),采用LB方法對實驗條件下顆粒的臨界懸浮過程進(jìn)行了直接模擬,顆粒和槳葉表面采用浸入式邊界格式。結(jié)果表明：(1)通過不同條件下顆粒的臨界懸浮轉(zhuǎn)速的分析得出層流體系下顆粒懸浮的動力和顆粒體積成正比,經(jīng)模擬結(jié)果驗證該懸浮動力主要由顆粒周圍壓力梯度引起；懸浮動力與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系為Fsusp ∝ N1.4,說明此時攪拌槽內(nèi)流體具有粘性和慣性兩種特性。(2)采用LB方法對層流攪拌槽內(nèi)單顆粒臨界懸浮特性進(jìn)行了直接數(shù)值模擬,臨界懸浮轉(zhuǎn)速的模擬值與實驗值誤差約為3%,顆粒運(yùn)動軌跡和速度分布的模擬值和實驗數(shù)據(jù)吻合很好。(3)亞格子潤滑力對顆粒臨界懸浮動力學(xué)行為無影響,但對顆粒發(fā)生懸浮前的等待時間影響較大,考慮亞格子潤滑力時顆粒的等待時間和實際更為接近。
[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 .
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ021

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本文編號：1972906