接觸式粘性力對顆粒流態(tài)化的影響機理研究.pdf

1、INVESTIGATIONONFLUIDIZATIONDYNAMICSOFPARTICLESWITHCONTACTCOHESIVEFORCEADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYMAJi1iangSupervisedbyProfCHENXiao—pingDrLIUDao—yinSchoolofEnergy

2、andEnvironmentSoutheastUniversityAugust2016本論文獲國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51306035)；國家留學(xué)基金委“國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項目”；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃項目；東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金資助摘要摘要流化床反應(yīng)器因其高效的傳熱傳質(zhì)與連續(xù)處理大量顆粒的能力，在不同工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。伴隨著流化床處理對象與手段的多樣化，顆粒性質(zhì)經(jīng)常發(fā)生改變，其中較為常見的是顆粒間

3、出現(xiàn)以液橋力和固橋力為代表的接觸式粘性力。粘性力的存在降低了顆粒的流動性，導(dǎo)致其流態(tài)化行為有別于傳統(tǒng)的無粘顆粒，從而影響了流化床內(nèi)的反應(yīng)效率以及反應(yīng)器的穩(wěn)定運行。因此，揭示顆粒間接觸式粘性力對流化特性的影響規(guī)律和機理，對此類流化床反應(yīng)器的設(shè)計和運行具有重要的指導(dǎo)意義。但是，相較于無粘顆粒流態(tài)化豐富且逐漸完善的理論體系，對于接觸式粘性力的研究仍然較為零散，缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)知。本文基于實驗手段，在顆粒層面和顆粒體系層面上開展了接觸式粘性力對

4、流態(tài)化的影響機理研究，旨在加深對于此類顆粒體系運動特性的認(rèn)知。全文主要的研究內(nèi)容和成果如下：(1)顆粒層面上，設(shè)計并搭建顆粒平板含液膜碰撞系統(tǒng)，其中顆粒與平板間的粘性力通過調(diào)節(jié)液膜的粘度與厚度實現(xiàn)：提出采用橫向擾動風(fēng)賦予顆粒水平運動速度，實現(xiàn)顆粒與覆蓋液膜的有機玻璃平板進(jìn)行斜向碰撞的目標(biāo)，克服了傳統(tǒng)的傾斜平板法只能應(yīng)用高粘度、低厚度液膜的缺點；借助布置在平板底部的透射光源，清晰地捕捉液膜和液橋幾何形態(tài)的變化，同時基于圖像處理技術(shù)準(zhǔn)確獲取

5、了顆粒的運動軌跡和速度等動力學(xué)參數(shù)，為顆粒碰撞模型的構(gòu)建奠定了堅實的基礎(chǔ)。與準(zhǔn)靜態(tài)過程不同，碰撞中液橋的形成和發(fā)展呈現(xiàn)滯后性，而且液體慣性在碰撞中所占的比重越大，滯后效果越明顯。液橋力對于反彈顆粒在法向方向上的動能損耗影響較大，對切向方向的影響較小。通過比較顆粒在碰撞全過程中發(fā)生的能量損耗可以發(fā)現(xiàn)，液橋力造成的動能耗損遠(yuǎn)小于其他阻力。在法向方向上，顆粒的能量耗損隨液膜粘度和厚度的增加而增加，隨碰撞速度的增加而減?。辉谇邢蚍较蛏?，能量耗損

6、過程主要由液膜厚度主導(dǎo)：厚度較大時，液體主要起阻力作用，而當(dāng)厚度較小時，液體主要起潤滑作用。鑒于液膜厚度在碰撞中的重要作用，本文將其引入，對傳統(tǒng)的表征碰撞過程的Stokes數(shù)進(jìn)行修正，并結(jié)合液體彈性動力學(xué)理論和經(jīng)典的流體力學(xué)理論首次提出了用于判斷顆粒是否反彈的臨界Stokes數(shù)模型以及用于衡量顆粒動能耗損的碰撞恢復(fù)系數(shù)模型，獲得了較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。(2)顆粒體系層面上，利用“多聚物涂層”法引入接觸式粘性力，通過調(diào)節(jié)涂層表面溫度，改變多

7、聚物粘性，實現(xiàn)控制顆粒間粘性力的目標(biāo)，克服了傳統(tǒng)引入方法粘性力分布不均且復(fù)現(xiàn)性差的缺點，同時基于圖像處理技術(shù)提取不同粘性力作用下二維可視化鼓泡流化床中氣泡的靜態(tài)和動態(tài)特征參數(shù)。與無粘顆粒體系相比，粘性力的存在抑制了氣泡在床中段的合并過程，促進(jìn)了氣泡在床層頂部區(qū)域的分裂過程。粘性力對床內(nèi)整體的流化特性呈階段式影響：在粘性力增加的初始階段，乳化相的持氣能力提高，氣泡通過頻繁的縱向合并從近似圓形過渡到豎橢圓形，減弱了床兩側(cè)顆粒的運動強度，導(dǎo)致