1、煤燃燒國家重點實驗室SKLCC51 顆粒的流動模型顆粒的流動模型l表示氣固系統流動特征的理想化的流動形態；表示氣固系統流動特征的理想化的流動形態；l劃分各種模型的實質是反混機理和程度；劃分各種模型的實質是反混機理和程度；l標志顆粒逆向混合程度的定量參數為模型參數；標志顆粒逆向混合程度的定量參數為模型參數；l可由停留時間分布求得模型參數；可由停留時間分布求得模型參數；l對具體過程：分析類型對具體過程：分析類型選擇模型選擇模型求得模型參求得模型參數數預測過程進程與效果預測過程進程與效果煤燃燒國家重點實驗室SKLCC51 顆粒的流動模型顆粒的流動模型1、顆粒在容器中的停留時間、顆粒在容器中的停留時間

2、1）基本概念）基本概念活塞流：當物料連續穩定通過某一系統時，其停留時間的活塞流：當物料連續穩定通過某一系統時，其停留時間的理想情況為同一時間進入系統的各微元，沿平行路徑理想情況為同一時間進入系統的各微元，沿平行路徑以相同恒定速度通過，各顆粒在系統內的停留時間均以相同恒定速度通過，各顆粒在系統內的停留時間均相等相等ul活塞流動示意圖活塞流動示意圖煤燃燒國家重點實驗室SKLCC1）基本概念）基本概念實際流動：層流、湍流、攪拌、旋回，形成停留時間的分布實際流動：層流、湍流、攪拌、旋回，形成停留時間的分布 影響因素：設備的幾何形狀、結構和工藝操作條件影響因素：設備的幾何形狀、結構和工藝操作條件在一個穩

3、定連續流動系統中，某一瞬間進入系統的顆粒，經在一個穩定連續流動系統中，某一瞬間進入系統的顆粒，經歷不同的停留時間后依次自系統流出歷不同的停留時間后依次自系統流出（1）停留時間的概率密度）停留時間的概率密度E(）函數）函數在同時進入穩定流動系統中的在同時進入穩定流動系統中的N個粒子中，在容器中停留時個粒子中，在容器中停留時間介于間介于與與+d間的顆粒數所占分率間的顆粒數所占分率dN/N(2) 停留時間分布函數停留時間分布函數 F(）函數）函數流過系統的物料中停留時間小于流過系統的物料中停留時間小于的物料量的百分率的物料量的百分率 0dEF煤燃燒國家重點實驗室SKLCCE曲線和曲線和F曲線曲線（a

4、) E曲線；曲線；(b) F曲線曲線煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2）停留時間分布的測定）停留時間分布的測定（1）脈沖示蹤法）脈沖示蹤法系統入口處快速混入少量（系統入口處快速混入少量（Q)的示蹤物體，在出口流體中檢的示蹤物體，在出口流體中檢測示蹤物料的濃度變化測示蹤物料的濃度變化c(） cQvEdvcdQE脈沖法測停留時間流程脈沖法測停留時間流程煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2）停留時間分布的測定）停留時間分布的測定（2）階躍示蹤法）階躍示蹤法在入口處按與物料一定比例在入口處按與物料一定比例c0 不斷加入示蹤物，在出口處取不斷加入示蹤物，在出口處取樣測出物料中示蹤物濃度的變化樣測出物料中示蹤物

5、濃度的變化c(）, 0ccF所選示蹤物料應具性質：所選示蹤物料應具性質： 不影響物料的流動狀態，密度和直徑與物料相近；不影響物料的流動狀態，密度和直徑與物料相近； 測定過程中不揮發、不沉淀、不起化學反應、不吸附在器壁上；測定過程中不揮發、不沉淀、不起化學反應、不吸附在器壁上；易于檢測濃度。易于檢測濃度。煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）各停留時間分布函數間的關系）各停留時間分布函數間的關系 活塞流）(1110000vVdFdFdFFdEEddFFdEVvVvF(）d與與1- F(） d關系關系煤燃燒國家重點實驗室SKLCC4）E(）的特征值的特征值（1）數學期望）數學期望與與 F(）的關系的關

6、系 vVdFdFdddFdEdEFF0100001煤燃燒國家重點實驗室SKLCC（1）數學期望）數學期望 在實際測定時，每隔一段時間取一次樣，則在實際測定時，每隔一段時間取一次樣，則E（）為離散型）為離散型 EEEE（2）方差）方差2體現停留時間分布的密度函數的離散程度體現停留時間分布的密度函數的離散程度 22220220020022EEdEdEdEdEdE煤燃燒國家重點實驗室SKLCC若采用無因次時間作自變量若采用無因次時間作自變量Vv則則 平均停留時間平均停留時間1在在及及處，停留時間分布函數相等，處，停留時間分布函數相等，F（）=F(）停留時間分布密度函數停留時間分布密度函數E（） ,E

7、ddddFddFddFE煤燃燒國家重點實驗室SKLCC51 顆粒的流動模型顆粒的流動模型2、典型的流動模型、典型的流動模型1）活塞流）活塞流所有顆粒在系統中的停留時間相同所有顆粒在系統中的停留時間相同活塞流的活塞流的E（）和和F （）煤燃燒國家重點實驗室SKLCC1）活塞流）活塞流用分布密度函數表示用分布密度函數表示 vVvVvVvVE010用分布函數表示用分布函數表示 vVvVF10且且這是一種最簡單有效的流動模型，如固定床這是一種最簡單有效的流動模型，如固定床02vV煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2）理想混合流）理想混合流微元體進入系統的瞬間立即與原有物料均勻混合，系統內微元體進入系統的瞬

8、間立即與原有物料均勻混合，系統內部流動特性始終如一，與出口處相同部流動特性始終如一，與出口處相同用示蹤粒子完全代替入口物料時，用示蹤粒子完全代替入口物料時， eddFE1用分布函數表示用分布函數表示 0 . 110cecF cVvddc1)(用分布密度函數表示用分布密度函數表示煤燃燒國家重點實驗室SKLCC理想混合時的理想混合時的E（）與與F （）模型特征：模型特征： 2222022dE當當=時，時，F（）=1-e-1=0.632，即有，即有63.2%物料停留時間小于物料停留時間小于煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2）理想混合流）理想混合流當當n級混合流模型串聯時，級混合流模型串聯時， nenn

9、Ennn1121n n稱為模型參數稱為模型參數當當nn時，時，2 2 = 0= 0，全混流多級串聯轉化成活塞流，全混流多級串聯轉化成活塞流煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）帶有死角和短路的理想混合流）帶有死角和短路的理想混合流帶死角和短路的模型示意圖帶死角和短路的模型示意圖煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）帶有死角和短路的理想混合流）帶有死角和短路的理想混合流V為容器體積，為容器體積，m為出去死角后所占的空間分額，為出去死角后所占的空間分額，v為通過為通過系統的物料流率，系統的物料流率，h為通過容器物料分額，為通過容器物料分額，v(1-h)為短為短路物料流率路物料流率 vhvfvhc1f(f(

10、） 示蹤物的分布函數（全混流）示蹤物的分布函數（全混流） heehhcef1111煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）帶有死角和短路的理想混合流）帶有死角和短路的理想混合流有短路和死角時，有短路和死角時， hvmVmVvhddFEFhvmVhchvmVexpexp12煤燃燒國家重點實驗室SKLCC4）擴散模型）擴散模型流體通過有填充物料的管式反應器時，各流體微元以相同流體通過有填充物料的管式反應器時，各流體微元以相同平均線速度平均線速度u通過縫隙，并圍繞通過縫隙，并圍繞u按相同頻率和振幅波動。按相同頻率和振幅波動。用用Fick第二定律描寫逆向混合，即為擴散模型。第二定律描寫逆向混合，即為擴散模型

11、。l 可理解為活塞流疊加軸向擴散；可理解為活塞流疊加軸向擴散；l 該擴散是虛擬的，實質為返混；該擴散是虛擬的，實質為返混；l是描述非理想流動的主要模型，特別適用于返混程度不是描述非理想流動的主要模型，特別適用于返混程度不大的系統大的系統煤燃燒國家重點實驗室SKLCC4）擴散模型）擴散模型模型假定：模型假定：l 沿與流體流動方向垂直的每一截面具有均勻徑向濃度；沿與流體流動方向垂直的每一截面具有均勻徑向濃度；l 每一截面上沿流體流動方向，流動速度和擴散系數均為每一截面上沿流體流動方向，流動速度和擴散系數均為恒定值；恒定值；l 物料濃度為流體流動距離的連續函數物料濃度為流體流動距離的連續函數擴散模型

12、擴散模型煤燃燒國家重點實驗室SKLCC4）擴散模型）擴散模型流動坐標上描述擴散方程流動坐標上描述擴散方程*121,00DxerfcxccuLc22*xcDcD D* *與流動有關的虛擬擴散系數與流動有關的虛擬擴散系數該微分方程的解為該微分方程的解為出口處示蹤物濃度的響應函數出口處示蹤物濃度的響應函數 PeerfVvLuDVverf111*112煤燃燒國家重點實驗室SKLCC注意：注意：l 對一定的流動模型，有一定的停留時間分布；對一定的流動模型，有一定的停留時間分布；l 對已知的停留時間分布函數，可能有數種流動模型與之適應；對已知的停留時間分布函數，可能有數種流動模型與之適應；l研究實際過程時

13、，分析流動形態研究實際過程時，分析流動形態選擇合適模型選擇合適模型測定模測定模型參數型參數與反應動力學結合估算過程效果；與反應動力學結合估算過程效果；l停留時間分布函數不能作為確定模型的依據停留時間分布函數不能作為確定模型的依據煤燃燒國家重點實驗室SKLCC51 顆粒的流動模型顆粒的流動模型3、停留時間分布曲線的應用、停留時間分布曲線的應用接近于活塞流的接近于活塞流的E（）曲線狀況曲線狀況煤燃燒國家重點實驗室SKLCCl正常狀態，曲線的峰形和位置與所預期的相吻合；正常狀態，曲線的峰形和位置與所預期的相吻合；l出峰太早，可能有溝流或短路情況；出峰太早，可能有溝流或短路情況；l出現遞降峰出現遞降峰

14、, 表明可能有循環流動表明可能有循環流動; l出峰太晚出峰太晚, 可能是計量誤差可能是計量誤差, 也可能示蹤劑被吸附于壁也可能示蹤劑被吸附于壁面上面上;l有兩股平行流體存在有兩股平行流體存在煤燃燒國家重點實驗室SKLCC接近于全混流的接近于全混流的E（）曲線狀況曲線狀況煤燃燒國家重點實驗室SKLCC52 稀相懸浮體中氣固流動模型稀相懸浮體中氣固流動模型1、單顆粒顆粒在水平氣流中的運動、單顆粒顆粒在水平氣流中的運動(1)運動分析運動分析最簡單情況最簡單情況: 水平平行氣流水平平行氣流, 不計重力影響不計重力影響穩定運動時穩定運動時, 慣性力與阻力相等慣性力與阻力相等frpDsspudCddud2

15、46223顆粒在水平氣流中運動顆粒在水平氣流中運動煤燃燒國家重點實驗室SKLCC(1)運動分析運動分析考慮重力的作用考慮重力的作用,令粒子在氣流中穩定不動時的垂直速度為令粒子在氣流中穩定不動時的垂直速度為ut0, 與沉降速度相等與沉降速度相等gdudCudCspftpDtftpDt32220262424類比結果，認為二者具有相同的阻力規律，即類比結果，認為二者具有相同的阻力規律，即pttprrktDtkrDduduaCaCReReReRe煤燃燒國家重點實驗室SKLCC(2)顆粒水平運動方程顆粒水平運動方程利用類比關系利用類比關系ktrssrDtDspsspuudduguuCCgdddud223

16、3166設顆粒運動時間為設顆粒運動時間為，距離為，距離為l ，定義準則數：，定義準則數：懸浮運動引起的慣性力重力懸浮速度重力速度氣體速度懸浮速度氣流速度顆粒前進速度2ttatasuglFrugTuuuu煤燃燒國家重點實驗室SKLCC當當dp和和l 給定時，給定時，以時間以時間為變量，水平運動的準則數方程為變量，水平運動的準則數方程kkdTd121以距離以距離l為變量，水平運動的準則數方程為：為變量，水平運動的準則數方程為：kkdFrd21煤燃燒國家重點實驗室SKLCC（3)不同不同Re下的顆粒水平運動方程下的顆粒水平運動方程 當當Re1.0時，屬時，屬Stockes區區assaaastasTD

17、uuuuuguulFruguuekaCln11ln1exp110 . 1Re1煤燃燒國家重點實驗室SKLCC顆粒的水平速度（隨時間變化）顆粒的水平速度（隨時間變化）煤燃燒國家重點實驗室SKLCC顆粒的水平速度（隨距離變化）顆粒的水平速度（隨距離變化）煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2、顆粒群的運動、顆粒群的運動1）顆粒群在水平管內運動方程）顆粒群在水平管內運動方程msmfsadmsssDdlguDdlguuACdduuGg22122壁面摩擦力作用與顆粒群的力慣性力作用在管道內顆粒群上的力作用在管道內顆粒群上的力不計重力和顆粒間摩擦影響時，不計重力和顆粒間摩擦影響時，煤燃燒國家重點實驗室SKLCC

18、設阻力機制相同，則設阻力機制相同，則ksamtkrtmtmpmttpsarktmtkuuuCCduduuaCaCReReReReReRe0根據沉降速度的實際含義根據沉降速度的實際含義區間的顆粒質量在dldluGguACssfmtdmt22煤燃燒國家重點實驗室SKLCC轉化成單位質量的運動方程轉化成單位質量的運動方程以時間為變量以時間為變量以距離為變量以距離為變量gDuuuuddugsmkmlsas2122gDuuuudldugumkmlsass2222DkkmmmDkmkmdFddTd221211轉化為準則數方程轉化為準則數方程下標下標m表示群體特性，準則數表示群體特性，準則數 表征阻力關系表

19、征阻力關系gDumtmD22煤燃燒國家重點實驗室SKLCC2）顆粒群在斜管內運動方程）顆粒群在斜管內運動方程sin4221222dluGdluDDgguuACddudluGgsssmmfsadmsss式中增加了重力的影響，上升氣流取（式中增加了重力的影響，上升氣流取（-），垂直管道），垂直管道=90無因此準則數運動方程無因此準則數運動方程sin1sin12212mDkkmmmmDkmkmdFddTd煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）顆粒群在管道內最終理論速度）顆粒群在管道內最終理論速度顆粒群在管道內被輸送，經一定時間后，加速度為零顆粒群在管道內被輸送，經一定時間后，加速度為零在運動方向分力顆粒

20、群自重間的摩擦阻力顆粒群與管壁作用的阻力氣體對顆粒群顆粒群的最終最終速度顆粒群的最終最終速度usx表現在表現在中中當當k=1.0水平運動時水平運動時垂直上升運動時垂直上升運動時當當k=0水平運動時水平運動時垂直運動時垂直運動時DmmDxmmtDxmmDDmxmDDmxgDu1112/111111412141222煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）顆粒群在管道內最終理論速度）顆粒群在管道內最終理論速度討論：討論：lm越小，越小，D越大，則越大，則最終值越小，加速所需時間和距離最終值越小，加速所需時間和距離相對較短；相對較短；l細小粉體和較大顆粒直徑若相差細小粉體和較大顆粒直徑若相差10倍，倍，u

21、mt可能相差可能相差10倍以倍以上；上；l對于對于m，D 一定條件下，與水平運動相比，垂直上升最終一定條件下，與水平運動相比，垂直上升最終m較小；較小；l水平運動時，大小顆粒的水平運動時，大小顆粒的-Tm曲線相近，垂直運動時相反。曲線相近，垂直運動時相反。煤燃燒國家重點實驗室SKLCC3）顆粒群在管道內最終理論速度）顆粒群在管道內最終理論速度討論：討論：l當流體密度當流體密度f與顆粒密度與顆粒密度s接近時，有關方程需作修正，接近時，有關方程需作修正，sfssmkmtsasDuguuuddugsin2122 當顆粒不是球形時，需考慮其對當顆粒不是球形時，需考慮其對umt的影響；的影響； 當懸浮濃

22、度當懸浮濃度 umf347. 006. 0/716. 0exp07. 2fpmbdFu其中其中 F F是顆粒是顆粒 d dp p 45 0.6DB最小噴動速度最小噴動速度 U Uslsl = U = Umfmf + 0.07(gD) + 0.07(gD)0.50.5 4) 湍流床湍流床起始轉變速度起始轉變速度17. 00 . 3ppcdU終了轉變速度終了轉變速度77. 00 . 7ppkdU煤燃燒國家重點實驗室SKLCC注意：在上面的區域中，顆粒在布風板上的某一區注意：在上面的區域中，顆粒在布風板上的某一區間內運動間內運動5) 5) 快速流態化快速流態化 ( (循環流態化循環流態化) ) u uf f - u - up p u ut t特點特點: :軸向軸向: : S S 分布分布徑向徑向