聲（電）場-機(jī)械振動物理場耦合對強(qiáng)化氣固流化床超細(xì)顆粒流動特性研究.pdf

1、超細(xì)顆粒在流化床內(nèi)極易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致部分顆粒以溝流形式存在，使流化質(zhì)量下降，超細(xì)顆粒的利用效率大大降低。為了強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過程，本文通過實驗研究與模擬計算相結(jié)合，研究了聲（電場）-機(jī)械振動耦合物理場對強(qiáng)化氣固流化床超細(xì)顆粒流動特性的影響規(guī)律。
　　首先研究了聲場對氣-固流化床超細(xì)顆粒流動特性和次級顆粒團(tuán)聚體特性的影響。實驗采用空氣和C類Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣顆粒為氣固流化介質(zhì)，聲壓級90～150 dB，聲波頻率30-8000 H

2、z。研究結(jié)果顯示，無溝流現(xiàn)象均勻自由鼓泡的氣-固流化條件隨著超細(xì)顆粒加入量增加，當(dāng)聲壓級一定時，聲波頻率范圍減小;在保證均勻流化的頻率范圍內(nèi)，次級團(tuán)聚體粒徑與聲波頻率的關(guān)系曲線不是單調(diào)變化趨勢，最小次級團(tuán)聚體粒徑對應(yīng)的最大響應(yīng)頻率大約為120 Hz，最大響應(yīng)頻率與床層內(nèi)聲壓級和顆粒加入量無關(guān)。
　　在通過分析聲場對流化超細(xì)顆粒的作用原理，建立了氣固兩相流動模型和聲場-流場耦合模型。為了進(jìn)一步研究聲場作用對超細(xì)顆粒形成大尺寸團(tuán)聚體和

3、次級團(tuán)聚體從大尺寸團(tuán)聚體上分離的影響規(guī)律，分析流化床中氣流引起的動力學(xué)應(yīng)力和顆粒團(tuán)聚體粘性力，建立了團(tuán)聚體/次級團(tuán)聚體振蕩模型，并采用實驗數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行驗證，預(yù)測了聲場作用對次級顆粒團(tuán)聚體尺寸的影響。采用FLUENT分別模擬了聲場與流體耦合作用對流化床內(nèi)氣、固相流場的影響。模擬結(jié)果表明，聲能隨表觀氣速增加而增加明顯，表觀氣速0.057m·s-1為流型從固定床到流化床的過渡點(diǎn)。聲能在整個床中分布不均勻，在床層底部和頂部區(qū)域數(shù)值較小，而在

4、床層中部區(qū)域數(shù)值較大。當(dāng)顆粒粒徑一定時，隨著聲壓級增大，最小流化速度略有增加。固體顆粒濃度由壁面區(qū)向中心區(qū)逐漸減小，呈拋物線分布。遠(yuǎn)離壁面區(qū)，固體顆粒濃度隨聲壓級的增大而增大，聲場對壁面區(qū)域固體顆粒濃度影響較小。
　　其次，研究了電場對氣-固流化床超細(xì)顆粒流動特性的影響。實驗采用空氣和C類Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣顆粒為氣固流化介質(zhì)，電場強(qiáng)度范圍為0-400kV·m-1，電場振動頻率范圍為0-1000 Hz。外加電場采用并流電場、交

5、互電場和變電場三種不同模式。實驗研究了三種不同電場模式下電場強(qiáng)度、電場振動頻率和表觀氣速對顆粒體積分率相對變化的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)加入電場時，床層膨脹明顯增加，顆粒流化均勻性增強(qiáng)。
　　通過對超細(xì)顆粒運(yùn)動方程，流體力方程，接觸力方程和粘性力方程的系統(tǒng)分析，建立了電場-流場耦合流化床數(shù)學(xué)模型，并用FLUENT研究了電場流化床中Pcaco3型碳酸鈣超細(xì)顆粒流化行為和運(yùn)動軌跡。采用TFM方法，在Rokkam等提出的模型基礎(chǔ)上，建立了

6、求解外加電場下的靜電模型，對外加電場下氣固流化床內(nèi)的電勢分布和顆粒運(yùn)動進(jìn)行分析。模擬結(jié)果表明，在低電場振蕩頻率時，顆粒在流化床底部原位置附近運(yùn)動;當(dāng)電場振蕩頻率達(dá)到20 Hz時，顆粒在床中自由上下運(yùn)動;進(jìn)一步增大電場振蕩頻率，顆粒運(yùn)動明顯呈現(xiàn)混沌現(xiàn)象，顆粒運(yùn)動迸一步受到限制。對三種不同電場模式的顆粒體積分率相對變化的影響進(jìn)行了實驗值與模擬值比較，三種不同電場模式的實驗值與模擬值具有較好的一致性，說明所建立的電場-流場耦合模型能夠較好地預(yù)

7、測顆粒體積分率相對變化規(guī)律。
　　在以上研究工作的基礎(chǔ)上，論文進(jìn)行了聲（電）場-機(jī)械振動耦合過程對氣固流化床超細(xì)顆粒流動特性影響的研究。在聲場-機(jī)械振動流化床實驗過程中，采用空氣為氣相，4種不同類型固體粉末作為固相，平均粒徑為1.2-74.7μm，4種固體粉末為Pa-sio2型二氧化硅粉末、Pt-sio2型二氧化硅粉末、Pcaco3型超細(xì)碳酸鈣粉末和Pt-caco3型普通碳酸鈣粉末。選用6種不同聲壓級，機(jī)械振動頻率可達(dá)到300 H

8、z，振幅為1-30 mm。在電場-機(jī)械振動流化床實驗過程中，采用空氣為氣相，Pcaco3型碳酸鈣顆粒作為固相，水平電場強(qiáng)度為4 kV·cm-1，采用5種不同機(jī)械振動頻率。實驗分別對聲場-機(jī)械振動流化床和電場-機(jī)械振動流化床超細(xì)顆粒流化特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，對于Pa-sio2型二氧化硅顆粒，同時采用機(jī)械振動和聲場方式，與單獨(dú)采用機(jī)械振動相比，最小流化速度明顯降低。當(dāng)無因次機(jī)械振動強(qiáng)度和聲場強(qiáng)度分別為5.64和0.53時，最小流

9、化速度數(shù)值最小。對于Pt-sio2型二氧化硅顆粒，當(dāng)水平機(jī)械振動強(qiáng)度一定時，隨著聲場強(qiáng)度增加，顆粒團(tuán)聚體尺寸明顯減小。當(dāng)聲場強(qiáng)度一定時，機(jī)械振動強(qiáng)度對顆粒團(tuán)聚體尺寸影響不大。對于Pcaco3型碳酸鈣顆粒，聲場強(qiáng)度對最小流化速度和顆粒團(tuán)聚體尺寸的影響比水平機(jī)械振動強(qiáng)度大。對于Pt-caco3型碳酸鈣顆粒，水平機(jī)械振動強(qiáng)度和聲場強(qiáng)度均有利于減小顆粒團(tuán)聚體尺寸，Pt-caco3型碳酸鈣顆粒團(tuán)聚體尺寸范圍為90-590μm。單獨(dú)應(yīng)用電場，導(dǎo)致P