非均匀颗粒流动垂向分选实验研究

利用两个半径不同的同心圆筒组成环形流道,在流道上表面安装摩擦板带动颗粒流动,进行非均匀颗粒流动垂向分选实验．该实验方法使颗粒可在环形流道中循环流动,流动速度可调,流动时间不受限制,克服了以往实验中由于流道较短颗粒垂向分选不充分的弊病．实验证实了Savage提出的“空隙填充机制”,小颗粒优先填充于颗粒流动过程中形成的空隙中,逐渐向下层迁移,形成垂向分选．实验结果还表明,快慢速流动两种不同条件下,颗粒垂向分选机制存在本质区别．在颗粒流动速度较小的情况下,颗粒间作用以摩擦为主,颗粒垂向分选的程度取决于颗粒流动过程中随机产生空隙的大小和数量,即主要受“空隙填充机制”控制;随着颗粒流速的加快,颗粒间的碰撞作用加强,碰撞应力逐渐起控制作用,小颗粒空隙填充几率相对减少,部分小颗粒甚至由于碰撞应力作用由下层重新回到上层,导致分选程度下降．     

粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究

本文利用剪切室研究了粘性颗粒剪切条件下的流动和分选情况,并针对实验现象和结果展开分析和讨论.实验结果表明,相比干颗粒而言,粘性颗粒相互黏结得更紧密,颗粒的流动性减弱,颗粒在流动过程中的浓度分布、应力状况以及分选均会受颗粒流动性减弱的影响.     

转筒颗粒流崩塌前后的颗粒温度和体积分数测量

转筒中的颗粒流在工业生产中广泛应用,准确描述颗粒流规律对于调控生产中的换热效率和混合效率极为重要,颗粒温度和颗粒体积分数是影响颗粒流的主要参数.本文搭建了基于面阵CCD相机的图像测量装置,以及基于线阵CCD相机的同轴双散斑能见度光谱法(Speckle Visibility Spectroscopy, SVS)测量装置,选取均值粒径为0.5 mm的球形颗粒和等效粒径为0.5 mm的不规则颗粒.通过测量转筒中颗粒体系的侧表面轮廓,计算得到颗粒体系崩塌前后的体积分数.发现在崩塌过程中,球形颗粒体系和不规则颗粒体系都发生膨胀;在崩塌前,不规则颗粒体系发生压缩,而规则颗粒体系不发生压缩.进一步,测量了颗粒体系自由表面上不同位置的颗粒温度δv2.发现球形颗粒与不规则颗粒的崩塌发生在同一个位置;不规则颗粒体系的压缩首先发生在体系上半部分,并且在一个崩塌周期时间内,压缩现象仅发生一次.最后,根据颗粒体系的侧表面轮廓和颗粒温度大小,确定了休止角和特征时间参数,发现球形颗粒体系休止角与崩塌时间的关系与Davidson提出的模型一致,并发现崩塌前不规则颗粒体系的压缩会缩短颗粒的崩塌时间.实验结果揭示的转筒内颗粒流规律,为完善工业生产中颗粒材料流动与传热的控制技术提供参考数据.     

斗式提升机物料卸载流动的离散元模拟

利用离散单元法(DEM)对斗式提升机内物料卸载过程进行数值模拟,计算得到颗粒的运动轨迹与速度分布特征,统计分析颗粒流动的空间位置分布与生产率特性。结果表明:卸料包络域由多个颗粒运动轨迹决定,深斗的卸料包络域较浅斗的更大;料堆表面上,颗粒速度分层均匀,在Z轴方向高度为20 mm位置处,颗粒角速度最小且分布集中;颗粒流动的位置与速度分布对称性良好;选择速度为1.5 m/s的深斗用于卸料,可同时满足生产率高和颗粒与机壳碰撞作用弱的要求。     

二元溶液混合熵的实验测定与分析

用电化学方法测量了二元溶液体系的混合熵。将亚铁氰化钾溶液与铁氰化钾溶液混合成一系列"反比溶液",每对反比溶液可以组成一个浓差电池,并测量其电动势。溶液混合过程的总电功可以通过可逆电动势Erev与溶液组成x关系曲线计算,从而得到混合吉布斯自由能ΔmixG。根据理想溶液体系ΔmixG=TΔmixS的性质,进而推算溶液的混合熵ΔmixS。实验设计用于验证理想溶液的热力学性质,增强学生学习物理化学课程的真实感。     

循环湍动流化床颗粒的局部平均速度在线测量系统

为满足循环湍动流化床(circulating turbulent fluidized bed,C-TFB)颗粒流动速度在线测量的迫切需求,基于阵列式静电传感器,设计了一种颗粒局部平均速度测量系统,并在C-TFB冷模装置上进行速度测量试验.测试结果表明:系统能够实现C-TFB颗粒局部平均速度在线准确测量;在一定条件下,颗...     

颗粒流研究最新进展与挑战

本文从颗粒流态出发,探讨颗粒不同流态特征及其转化机制,并分析了颗粒流动过程中的应力本构关系,总结了非均匀颗粒流动特殊分选现象的研究成果,以点带面方式分析颗粒流研究的重要进展.同时,本文还分析了颗粒流研究所面临的挑战.     

颗粒材料热力学理论在简单剪切流中的应用

颗粒物质由大量离散的粗大固体颗粒聚集而成,在外界作用下可能发生准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动,其中采用固体力学和流体力学对准静态变形和流动开展的研究较为系统,而变形局部化和破坏的研究非常薄弱．分析内部结构演化规律,建立颗粒体系非平衡态热力学,统一描述颗粒体系力学行为是重要的基础研究课题,Granular Solid Hydrodynamics（GSH）理论为该研究提供了基础．本文完善了该理论涉及的颗粒温度表达式,确定了相应参数数值;与动理学理论和离散元模拟一起对恒定体积简单剪切流进行了分析,对比了三种方法得到的正应力与颗粒体积分数的关系,发现由于基本假设的限制,动理学理论只能适用于稀疏颗粒流,而完善后的颗粒体系热力学理论比动理学涵盖范围更广,可以从稀疏体系到密集体系．这样该理论可以连贯地描述颗粒体系准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动的力学行为．     

颗粒相运动参数的光纤式高速摄影测量方法

介绍了一种用于测量稠密气固两相流颗粒相运动参数的光纤式高速摄影技术原理及其装置的构建方法.首先,将光纤内窥镜布置在流场内被卤素灯照亮的测量区域,与高速摄像机配合使用,获取颗粒群通过被测区时的运动视频,并对其进行图像预处理,使视频中的每帧图像清晰、无畸变;然后,采用颗粒特征识别算法提取每帧图像上颗粒的瞬时速度,并进行概率分布统计,得到表征颗粒流动特性的速度分布.利用该测量装置对一台截面直径为200 mm、高1 500 mm的三维喷动床进行了实验研究.测量结果表明,颗粒相垂直速度的径向分布曲线可以将颗粒在喷动床轴向截面上的运动特性分为A,B,C三个区域,其中A区与B区的分界点是颗粒相速度为0的点,也是喷动床内喷动区与环隙区的界面位置,这与相关文献的理论预测相吻合.     

多相介质诱发柱塞泵内部磨损

 为了突破油水煤浆作为替代燃料发展的瓶颈,解决油水煤浆替代柴油应用于柴油机和固体煤颗粒的存在加剧柱塞泵磨损问题,通过数值模拟和实验测试方法找出多相介质下诱发柱塞泵内部磨损的机制。采用VOF多相流动模型,对颗粒运动轨迹、颗粒与过流表面的相互碰撞过程、固液(煤、油)磨损进行了数值模拟,并试验测试分析。研究结果表明：离散相颗粒的性质(密度、粒径)、混合比例及柱塞运动速度对颗粒运动轨迹及壁面碰撞过程有重要的影响;大粒径、大密度的颗粒运动轨迹向柱塞泵壳体内侧偏移,与其撞击并反弹,易发生多次撞击,对柱塞泵壳体内侧磨损程度大;小颗粒易与柱塞偶件发生撞击,因柱塞偶件表面油膜颗粒一般与其发生一次撞击,冲蚀磨损相对弱些;凸轮速度直接影响柱塞运动速度,速度加剧内部磨损;混合燃料中固体颗粒的体积比增大,对柱塞偶件的磨损加剧,模拟结果与试验结果吻合。     

生物质热解气力进料光敏在线监测技术研究

为实现对热解用气力输送进料情况实时监测,以落叶松锯末颗粒为原料,采用遮光管内红外激光头与光敏传感器联用的方法,在自主研发的在线监测实验台上,考察了气体流量对进料率、固气比等的影响,分析了电平均值与进料率、固气比、颗粒速率的关系,并对管路各层的颗粒浓度进行了灰度图像重建。结果表明：该方法能有效实现在线监测;电平均值与进料率的变化关系和幂函数在第一象限的规律相似;电平均值与颗粒速率负相关;流体颗粒速率由管路下层到上层依次递增;距离喷嘴越远,电平均值越大,流体颗粒速率越小,颗粒分布更加分散,管路各层浓度更加均匀;圆管（DN 20 mm）流体颗粒平均速率约为0.2~0.6 m/s。     

车载方舱手术室颗粒物质量浓度分布仿真与参数优化

 为有效降低车载方舱手术室的颗粒物质量浓度,提高室内空气洁净度,通过对某车载方舱手术室颗粒物扩散分布规律的仿真分析,以工作平面颗粒物质量浓度最小为目标,以工作平面平均风速为约束条件,建立优化模型,采用序列响应面法对送风速度和送风角度参数进行了优化求解研究。结果表明,手术室的回风口在长边壁面对称布置时,能有效促进室内空气的流动,有利于颗粒物质量浓度的降低;在顶部送风、两长边壁面下侧回风的非单向流手术室内,颗粒物质量浓度主要受气流的影响,主导颗粒物扩散的方向为下风向时,主流区的颗粒物质量浓度较小,医护人员周边及壁面的颗粒物质量浓度较大;优化后的送风速度和送风角度使手术室的颗粒物质量浓度降低78.19%,室内空气质量达到洁净标准。该优化方法可为野外环境下的洁净手术室通风系统设计提供依据。     

鸣沙沙粒振动频率自锁机制

研究在30°安息角的沙坡面上, 单一粒径球形沙粒的运动状态。假设沙粒无滑动且碰撞时角动量守恒, 则扰动沙粒经过不超过5 次的滚动、抛射、再滚动后,即进入与初条件无关的周期性运动, 其频率为0.39 g/D , 与鸣沙流的梯度相近, 临界抛射角稳定在 51.2°, 抛射过程沙粒自旋角速度为 16 r/min。自保持的周期性决定了沙粒的整体协同运动, 是鸣沙发声及频率自锁的根本原因。     

回转窑内物料传输模型的研究

回转窑内物料平均停留时间（MRT）直接决定物料化学反应程度,它是回转窑设计的重要依据之一。在回转窑实验台上对5种不同的固体废弃物料和窑内风速、回转窑转速和回转窑倾角及物性参数改变的情况下进行了实验,获得了不同工况下物料MRT的变化规律：随着回转窑转速的提高、倾角增大和窑内风速增加,MRT减小;物料的物性参数中,休止角对MRT影响较大,休止角大的MRT小,而密度的变化影响相对较小。MRT对于以上各影响因素的敏感性差别也较大：回转窑转速对MRT影响是比较敏感的,特别是转速较小时;转窑倾角对MRT的敏感性则比较均匀;窑内风速在小回转窑转速、低窑内风速时对MRT的影响较为敏感。针对回转窑内物料传输影响因数众多、非线性机理强烈的特性,建立风速条件下物料传输模型（MMCAV）,并在回转窑转速倾角和一定风速条件下对模型进行了验证。在次高倾角（α=4.56°）时,MRT随窑内风速变化的情况,其中最大相对误差为7.1％。在低窑转速和高风速情况,总的平均相对误差为2.81％。用稻壳作为输运物料,把实验数据与Perry等模型对比发现：Perry模型在c=0m/s时,Saeman模型在c=0.41m/s附近时与实验值差异较小。风速的影响范围与回转窑倾角有较大关系,倾角α=3.04°时,风速c>0.41m/s必须考虑风速对物料输运的影响;而倾角α=4.56°时,c>0.25m/s就应考虑风速的影响。     

三相流运动力学对减缓膜生物反应器膜污染的理论分析

运用气、液、固三相流运动力学原理对一体式膜生物反应器运行过程分析,得出:①反应器膜外污染的临界流速与膜管抽吸压力及主腔宽度、曝气条件的关系;②膜管内膜壁存在或不存在凝胶层条件下,产生污染的临界速度与膜管径、污染物粒径、膜管内抽吸压力、膜管内流态及膜壁对污染物吸附力的关系;③消除膜污染运行控制措施及条件.     

600MW机组锅炉管排偏斜引起的磨损模拟分析

以商用软件Fluent为平台,运用用户自定义函数(UDF)模拟分析600 MW机组锅炉低温再热器管排发生偏斜对气固两相流场分布、飞灰运动轨迹、碰撞速度等的影响,进一步研究飞灰碰撞造成的管束磨损分布.研究结果表明:当管排偏斜角从1.6°增加到6.5°,管排通道内最大气流速度由16 m/s增至20 m/s,最大飞灰质量浓度由5.8 g/m3增至6.8 g/m3.同时颗粒平均碰撞速度增大,较多颗粒平均碰撞角集中于最大磨损发生角附近,造成偏斜管束年磨损量有较大增加.     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

渣浆泵内固相颗粒冲蚀特性的数值模拟

应用雷诺涡粘模型(液相)、离散相流动模型(固相)和压力耦合流场计算法,对渣浆泵全流道内固液两相湍流场的固相颗粒的冲蚀行为进行数值模拟.研究泵转速、固相粒径和叶片参数对颗粒冲蚀特性的影响.研究结果表明:随着泵转速的提高或者粒径的增大,颗粒冲击叶片表面的位置逐步移向叶片的头部,颗粒的冲击速度和冲击角度随之增大;不同叶片参数的叶轮对固相颗粒的冲蚀行为影响明显;数值模拟的研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计.     

基于 PIV 技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究

利用粒子图像测速技术,以200 mm×2040 mm板坯连铸结晶器为原型,建立1：4水模型进行实验,对结晶器内钢液流动形态、流速及各流态所占比例、液面波动、以水口为中心结晶器两侧对称点速度随时间的变化、水口两侧液面水平流速、水口两侧对称位置液面至结晶器底部垂直方向速度和钢液对两侧窄面的冲击深度进行系统地研究和分析,并对比拉速的影响.研究表明,粒子图像测速技术不仅可以测量结晶器内流场流速,还可以对流场对称性进行全方位、多角度定量分析,为研究连铸参数变化,比如拉速、水口结构和水口浸入深度,对板坯连铸结晶器内钢液流动及对称性的影响提供一种较为精确的方法和思路.通过分析得出,在本实验条件下拉速0.5 m·min-1优于0.6 m·min-1.     

基于TCP流稳定螺旋涡的垂直螺旋输送机的设计方法

针对垂直螺旋输送机中的气固两相流进行了研究,分析了颗粒圆周速度在径向方向上的分布函数,并从颗粒流的螺旋升角、涡量入手,结合理论分析与EDEM+FLUENT仿真分析,研究垂直螺旋输送机中形成TCP流稳定螺旋涡的最佳填充率、最佳螺旋转速和临界雷诺数,推导出不同摩擦因数下的临界雷诺数公式和最佳输送量公式,从而得出一种高效的基于TCP流稳定螺旋涡的垂直螺旋输送机的设计方法,该方法使垂直输送机输送量提高了约20%.