【摘要】：稠密顆粒撞擊流是多噴嘴撞擊流氣化技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題,其研究結(jié)果對氣化爐的設(shè)計、放大和優(yōu)化有重要科學(xué)意義和參考價值。本文運用高速攝像儀、PV6D型顆粒速度測量儀和離散元(DEM)數(shù)值模擬等方法,系統(tǒng)研究了稠密顆粒射流撞壁和撞擊過程的顆粒類流體行為及其不穩(wěn)定性,并提出了流動模式及其不穩(wěn)定性的調(diào)控原理和方法。具體內(nèi)容歸結(jié)如下:1.運用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了稠密顆粒射流撞壁的類液體顆粒膜和散射機理及調(diào)控方法。實驗研究結(jié)果表明,隨著顆粒射流直徑與顆粒粒徑之比(D/d)和顆粒射流固含率(χp)的增大,散射模式轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒膜,獲得了兩種流動模式轉(zhuǎn)變的臨界參數(shù)和判別表達(dá)式。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,增大D/d和χp顯著地提高了撞擊區(qū)內(nèi)顆粒間碰撞頻率,從而降低顆粒間碰撞力和顆粒速度波動,最終導(dǎo)致顆粒膜的形成。提出了一種通過改變顆粒射流固含率來調(diào)控稠密顆粒撞壁流流動模式的方法。2.對稠密顆粒射流撞壁顆粒膜表面類液體波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明,隨著顆粒射流速度增大和固含率降低,顆粒膜表面逐漸形成波紋結(jié)構(gòu);顆粒膜波紋結(jié)構(gòu)存在對稱和非對稱兩種傳播模式,且傳播過程中存在波紋融合現(xiàn)象,導(dǎo)致波紋頻率降低以及波長增大。當(dāng)增加噴嘴出口段長度或噴嘴內(nèi)嵌入篩網(wǎng),噴嘴內(nèi)增強的氣固相互作用引起顆粒射流不穩(wěn)定,進(jìn)而導(dǎo)致顆粒膜表面形成類液體波紋結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,顆粒射流振幅越大且斯托朗哈數(shù)(St)在0.2-0.8范圍內(nèi)時,顆粒膜波紋結(jié)構(gòu)越顯著。3.采用兩臺高速攝像儀同時從正面和側(cè)面捕捉了兩股稠密顆粒射流撞擊的流動模式,考察了顆粒射流固含率、顆粒粒徑、顆粒射流直徑、撞擊角和顆粒射流速度對流動模式的影響規(guī)律,獲得了流型參數(shù)空間分布。研究結(jié)果表明,隨著顆粒射流固含率增大,顆粒射流撞擊依次呈現(xiàn)穿透模式、散射模式和類液體顆粒膜三種流動模式。DEM模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,提高顆粒射流Jχp和D/d時,增大的顆粒間碰撞頻率能顯著地降低撞擊區(qū)內(nèi)顆粒間碰撞力和速度波動,導(dǎo)致顆粒撞擊后沿徑向運動形成顆粒膜。通過改變顆粒射流固含率,可以有效地調(diào)控顆粒膜和散射兩種流動模式以及顆粒彌散效果。4.研究了稠密顆粒射流撞擊顆粒膜非軸對稱振蕩及波紋結(jié)構(gòu),揭示了顆粒膜不穩(wěn)定性產(chǎn)生機制及調(diào)控方法。結(jié)果表明,隨著顆粒射流速度增大和固含率降低,稠密顆粒射流撞擊顆粒膜發(fā)生非軸對稱振蕩;顆粒膜時均振蕩頻率稍小于射流擾動頻率,且隨著顆粒射流速度增大而線性增大,撞擊角對頻率影響不明顯;顆粒膜時均振幅沿傳播距離線性增長,且隨著顆粒射流速度和撞擊角提高而增大。當(dāng)顆粒射流擾動較小時,顆粒膜表面形成波紋結(jié)構(gòu);隨著擾動幅度增大,發(fā)展為非軸對稱振蕩。顆粒射流不穩(wěn)定性會引起撞擊點動量不平衡,導(dǎo)致顆粒膜非軸對稱振蕩。改變顆粒射流固含率可以實現(xiàn)撞擊不穩(wěn)定性,調(diào)控顆粒膜非軸對稱振蕩,進(jìn)而有效改善撞擊流的彌散效果。
【圖文】：

應(yīng)用在燃燒與氣化、粉碎與研磨、吸附與萃取、干燥以及納米材料合成等工業(yè)生產(chǎn)中。逡逑２．１．１撞擊流基本原理逡逑如圖２．１邋（ａ）和（ｂ）所示，撞擊流可分為單股撞壁流和多（兩）股撞擊流，均相逡逑或非均相射流離開噴嘴后與壁面或相互碰撞形成一個高度湍動、大剪切應(yīng)變速率的撞擊逡逑區(qū)，能夠有效地降低傳遞過程中的外部阻力，強化熱、質(zhì)傳遞，促進(jìn)混合。撞擊流流場逡逑一般可以分為以下三個區(qū)域：一是流體離開噴嘴以后到還沒有撞擊之前，如同單噴嘴的逡逑自由射流稱為射流區(qū)；二是流體撞擊過程形成撞擊區(qū)；三是撞擊后流體改變方向形成的逡逑區(qū)域稱為徑向射流區(qū)。逡逑Ｆｌａｔ邋Ｐｌａｔｅ邋Ｒａｄｉａｌ邋Ｊｅｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ邐＼邋，ｔｉｒｆ逡逑ｙ邋Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ邐＼邐Ｌ逡逑？ｖ邋ｊ邐，邋Ｆｉ．ｅｅ邋Ｊｅｔ邋ｒｅｇｉｍｅ邐Ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ邋ｐｏｉｎｔ邋（￣逡逑＾邋１邐，邋Ｐｏｔｅｎｔ邋ｉａｌｅ邋Ｃｏｒ邐／邐＼逡逑＼邐，Ｎｏｚｚｌｅ邐Ｎｏｚｚｌｅｌ邐Ｎｏｚｚｌｅ２逡逑＼邋ｆ邐Ｉｍｐｉｎ＾＾ｉｅｎ＾逡逑＾邐ｒｅｇｉｏｎ邐Ｍ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖２．１撞擊流原理圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ邋ｊｅｔｓ逡逑Ｅｌｐｅｒｉｎ［５］和Ｔａｍｉｒ［７］的研究結(jié)果認(rèn)為撞擊流強化傳遞主要表現(xiàn)在：（ａ）對于氣固撞擊逡逑體系，，顆粒多次振蕩及滲入反向流而延長撞擊區(qū)中顆粒的平均停留時間；（ｂ）對于液相逡逑為分散相的體系

應(yīng)用在燃燒與氣化、粉碎與研磨、吸附與萃取、干燥以及納米材料合成等工業(yè)生產(chǎn)中。逡逑２．１．１撞擊流基本原理逡逑如圖２．１邋（ａ）和（ｂ）所示，撞擊流可分為單股撞壁流和多（兩）股撞擊流，均相逡逑或非均相射流離開噴嘴后與壁面或相互碰撞形成一個高度湍動、大剪切應(yīng)變速率的撞擊逡逑區(qū)，能夠有效地降低傳遞過程中的外部阻力，強化熱、質(zhì)傳遞，促進(jìn)混合。撞擊流流場逡逑一般可以分為以下三個區(qū)域：一是流體離開噴嘴以后到還沒有撞擊之前，如同單噴嘴的逡逑自由射流稱為射流區(qū)；二是流體撞擊過程形成撞擊區(qū)；三是撞擊后流體改變方向形成的逡逑區(qū)域稱為徑向射流區(qū)。逡逑Ｆｌａｔ邋Ｐｌａｔｅ邋Ｒａｄｉａｌ邋Ｊｅｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ邐＼邋，ｔｉｒｆ逡逑ｙ邋Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ邋Ｒｅｇｉｍｅ邐＼邐Ｌ逡逑？ｖ邋ｊ邐，邋Ｆｉ．ｅｅ邋Ｊｅｔ邋ｒｅｇｉｍｅ邐Ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ邋ｐｏｉｎｔ邋（￣逡逑＾邋１邐，邋Ｐｏｔｅｎｔ邋ｉａｌｅ邋Ｃｏｒ邐／邐＼逡逑＼邐，Ｎｏｚｚｌｅ邐Ｎｏｚｚｌｅｌ邐Ｎｏｚｚｌｅ２逡逑＼邋ｆ邐Ｉｍｐｉｎ＾＾ｉｅｎ＾逡逑＾邐ｒｅｇｉｏｎ邐Ｍ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖２．１撞擊流原理圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ邋ｊｅｔｓ逡逑Ｅｌｐｅｒｉｎ［５］和Ｔａｍｉｒ［７］的研究結(jié)果認(rèn)為撞擊流強化傳遞主要表現(xiàn)在：（ａ）對于氣固撞擊逡逑體系，顆粒多次振蕩及滲入反向流而延長撞擊區(qū)中顆粒的平均停留時間；（ｂ）對于液相逡逑為分散相的體系
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ541

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