【摘要】：固-液懸浮操作廣泛的應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中,攪拌槽內(nèi)上浮顆粒的懸浮在食品加工技術(shù)、聚合、發(fā)酵和廢水處理等多個單元操作過程中應(yīng)用較為普遍。在以往的研究中關(guān)于上浮顆粒臨界下拉機(jī)理的研究并不多見,而且對于上浮顆粒體系的固-液混合研究主要集中于小粒徑顆粒的兩相混合,對于大粒徑顆粒以及固-液流場中顆粒的相關(guān)解析研究還未獲得理想效果。為了進(jìn)一步提高針對于上浮顆粒體系顆粒臨界下拉運動行為和機(jī)理的相關(guān)認(rèn)識,本文利用PIV(Particle Image Velocimetry)粒子圖像測試技術(shù)和CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬對攪拌槽內(nèi)低雷諾數(shù)下的大粒徑顆粒的流體力學(xué)特性和顆粒運動行為進(jìn)行研究。本文將一定配比的蔗糖-氯化鈉溶液和9.6 mm有機(jī)玻璃球型顆粒進(jìn)行折射率匹配,配合二維PIV測試技術(shù),在上浮顆粒臨界下拉條件和完全下拉條件下研究了顆粒體積分?jǐn)?shù)(?)=0 vol.%到(?)=8 vol.%的攪拌槽內(nèi)流體流動特性,對于流體速度和顆粒特性作了相關(guān)深入研究。采用PIV測試技術(shù)與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,得到層流條件下顆粒的下拉機(jī)理:流體在液面附近的切向速度以及顆粒與顆粒間的碰撞是導(dǎo)致上浮顆粒臨界下拉運動的主要因素,進(jìn)而為復(fù)雜固-液攪拌體系內(nèi)的上浮顆粒臨界運動機(jī)理提供有效數(shù)據(jù)和模型支撐。本文首先對攪拌槽內(nèi)上浮顆粒體系在臨界下拉條件下的流體流動和顆粒懸浮特性進(jìn)行了研究,從而為顆粒完全下拉條件的研究奠定基礎(chǔ)。結(jié)合采用PIV技術(shù)與FLUENT軟件中離散相模型DPM(Discrete Phase Model)和離散單元方法 DEM(Discrete Element Method Collision Model)對攪拌槽內(nèi)速度場和顆粒運動特性的分析,結(jié)果表明:(1)槳葉下壓式操作更容易實現(xiàn)上浮顆粒的臨界下拉運動,槳葉離底距離越大越容易實現(xiàn)顆粒的臨界下拉運動,上浮顆粒臨界下拉轉(zhuǎn)速均隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而逐漸增大。(2)在相同的臨界下拉轉(zhuǎn)速時,多相流場與單相流場相比較,多相流場在特定位置處的徑向速度衰減約為20%,軸向速度衰減約為13%。(3)不同操作條件下流體液面附近區(qū)域的切向速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向和軸向速度。對上浮顆粒在完全下拉條件的流場特性研究過程中同樣采用PIV實驗和CFD模擬相結(jié)合的方法,結(jié)果表明:(1)在顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸增加的過程中,顆粒的存在影響了槽內(nèi)流場,隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的逐漸增加,CFD模擬預(yù)測的結(jié)果與PIV實驗值的吻合程度越來越高。(2)隨著攪拌槽內(nèi)槳葉相位拍攝角度的變化,槽內(nèi)流場將隨之發(fā)生改變�；诒疚膶τ谏细☆w粒群的臨界下拉和完全下拉條件時在層流條件的研究,對單個上浮顆粒的臨界下拉運動行為進(jìn)行了實驗和格子-玻爾茲曼LBM(Lattice Boltzmann Method)直接數(shù)值模擬相結(jié)合的初步探索性分析,進(jìn)而為單顆粒臨界下拉運動的理論研究提供了可靠方法。在對上浮顆粒體系攪拌槽內(nèi)單顆粒在層流中的臨界下拉運動行為的探索研究中,采用高速攝像技術(shù)對單顆粒臨界下拉運動軌跡進(jìn)行捕捉,同時采用LBM模擬方法對顆粒運動行為進(jìn)行直接模擬預(yù)測,通過實驗和模擬的初步探索結(jié)果表明:(1)槳葉操作方式為下壓式,顆粒所需的下拉運動時間較短,顆粒粒徑越大,顆粒到達(dá)槳葉區(qū)的時間越短。(2)通過LBM模擬的單顆粒臨界下拉條件的流場分布、顆粒臨界下拉運動過程以及顆粒下拉運動軌跡與實驗結(jié)果吻合較好。
【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】：2018
【分類號】：O35;X703
【圖文】：

然后使用不同的圖像分析技術(shù)和相關(guān)算法，通過兩次或多次曝光記錄下粒子的逡逑位置信息和曝光時間間隔，計算出粒子在此位置處的運動速度，從而得到待測流體的逡逑速度。測試技術(shù)原理如圖１－２所示。逡逑ｙ邐Ｊｅ｜＃ｔ逡逑Ｄｏｕｂｌｅ邐“邐ｓｈ—邐備，ＣＣＤ逡逑ｐｕｌｓｅｄ邐厶、邐？、夠邐％邋＾逡逑ｉａ邋}0邐？？＇ｆｆ逡逑Ｉ邋Ｃｙｌｍｄｒｉｃａｌ邋ｔｅｎｓ邋Ｙｌｂ－邋－邐＾４邋ｆ逡逑Ｄａｔｕ邐Ｄａｔａ逡逑．．．．ｌ邐．邋ｓｒ邋ｉ逡逑ｖ逡逑＇，ＡＸ邐食：逡逑圖１－２邋Ｐ１Ｖ測試技術(shù)原理示意圖逡逑Ｆｉｇ．１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＩＶ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑１．３．１．２固－液兩相ＰＩＶ測速技術(shù)的研究應(yīng)用逡逑Ｚａｃｈｏｓ邋ｅｔ邋ａｌ．［４９］在固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為１邋ｖｏｌ．％的在固－液兩相多層槳攪拌槽內(nèi)，逡逑對分散相的速度場和濃度場進(jìn)行了研宄。逡逑Ｋｉｇｅｒ和Ｐａｎ［５（）］使用了一種過濾技術(shù)在顆粒體積分?jǐn)?shù)為０．５邋ｖｏｌ．％的固－液懸浮體逡逑系內(nèi)將固相和液相分離并分別進(jìn)行研究。逡逑Ｃａｔｅ邋ｅｔ邋ａｌ．［８］應(yīng)用邋ＰＩＶ邋技術(shù)和格子玻爾茲曼（Ｌａｔｔｉｃｅ－Ｂｏｌｚｍａｎｎ邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ＬＢＭ）逡逑模擬相結(jié)合的方法在固－液兩相體系內(nèi)，對層流工況下單顆粒周圍流場和流體運動速度逡逑對顆粒產(chǎn)生的影響做了詳盡分析。逡逑Ｖｉｒｄｕｎｇ和Ｒａｓｍｕｓｏｎ邋［３１＇５２］分別應(yīng)用ＬＤＶ和ＰＩＶ兩種測試技術(shù)，在固－液兩相攪拌邐，逡逑８逡逑

在固－液兩相顆粒懸浮體系內(nèi)通過對液相流體和固體顆粒分別進(jìn)行折射率的匹配逡逑來實現(xiàn)光學(xué)可視化研究。原則上，匹配度越精確，體系內(nèi)透明性和透光性越好，可視逡逑化越強(qiáng)。首先，顆粒的選取是非常重要的，需要具備良好的光學(xué)性能如圖１－３邋（ａ）所逡逑示，折射率不隨外界物理條件的改變而發(fā)生變化，顆粒內(nèi)盡量不含有其他雜質(zhì)，如果逡逑顆粒本身光學(xué)質(zhì)量存在問題如圖卜３邋（ｂ）所示，即使相對應(yīng)的液相折射率與之完全匹逡逑配也不能保證懸浮體系很好的透明度。逡逑１：b\0１３逡逑圖１－３顆粒的光學(xué)質(zhì)量：（ａ）顆粒光學(xué)性質(zhì)較好（ｂ）不透明顆粒內(nèi)有氣泡的存在逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｅａｄｓ：邋（ａ）邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｇｏｏｄ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ邋（ｂ）邋ｓｌｉｇｈｔｌｙ邋ｏｐａｑｕｅ逡逑ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｇａｓ邋ｂｕｂｂｌｅ邋ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ逡逑對于流體的選取上，經(jīng)常會加入混合不同的物質(zhì)成分來達(dá)到所需要的折射率、粘逡逑度和密度。流體的選擇需要符合以下要求：逡逑（１）

葉槳（Ｄ＝１５８ｍｍ），在實驗Ｉ中槳葉離底距離Ｃ分別為Ｔ／３、Ｔ／２和２Ｔ／３，槳葉操作逡逑分為上提式和下壓式兩種方式；實驗ＩＩ中槳葉離底距離分別為Ｔ／３和Ｔ／２，槳葉操作逡逑方式為下壓式操作。攪拌槽的具體幾何尺寸和ＰＩＶ測量平面如圖２－２所示，左圖中藍(lán)逡逑色方框內(nèi)為ＰＩＶ實驗測量區(qū)域（０＜ｚ／Ｈ＜０．５，邋０＜ｘ／Ｔ＜０．５），攪拌槽底部為坐標(biāo)原點，逡逑圖中分別定義了邋ｘ、ｙ、ｚ三個方向坐標(biāo)系，右圖中角度０為當(dāng)前槳葉和ＰＩＶ測量平面逡逑間的夾角（槳葉旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向）。逡逑２０逡逑

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本文編號：2749507