气固两相流介绍
锅炉气固两相流基础理论
2. 颗粒球形度 表征颗粒接近球形的程度。球形度数值越小，颗 粒偏离球形越远。用实测方法获得。 •
3.宽筛分颗粒的平均粒径
• 筛分重量平均直径：dav=∑xidi • Xi—不同直径颗粒份额 • Di—颗粒各种不同粒径，用不同孔径的筛子表示 • 对孔径小于25.4mm的孔，用25.4mm长度上的 孔数表示，简称“目” • 表3-3 为我国常用的泰勒标准筛的目数（25.4mm 长度上孔数）和对应孔径（相邻网线间的孔径）
3.颗粒的扬析和夹带
• 夹带：指单一颗粒或多组分系统中，气流从床层 • 中带走固体颗粒的现象。 • 扬析：从混合物中分离和带走细粉的现象。
二、 炉内颗粒浓度分布
• • • • • • • • •
1. 颗粒浓度沿床高（轴向） 分布规律 从颗粒浓度沿床高的分 布特征看，处于不同流型 状态的流化床内的颗粒浓 度沿床高分布规律差别很大。 从总体上讲，循环流化床炉 内颗粒浓度一般呈上稀下浓 的不均匀分布，如图2-21所示。
•
通常，对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较 大，筛分较宽；对于挥发分较低的无烟煤、煤矸 石，一般要求粒径较小，相对筛分较窄。 • 国内目前运行的循环流化床锅炉，其燃料粒径 要求一般在0.1～10mm、0.1～l5mm，特殊的要求 0.1～20mm，这些燃料粒径要求范围较大，均属 宽筛分。
• 6．燃料颗粒特性—称燃煤的粒比度 • 是选择制煤设备和锅炉运行的参数 • 细颗粒多,一般炉温整体高,燃烧后燃 • 粗颗粒多,影响排渣,炉膛易结焦 • 7．流化速度--空塔速度,不是一个常量,指床料或物 料流化时动力流体的速度 • 运行中控制和调整风量,就控制盒调整了流化速 度,即控制炉内物料的流化状态 • 一次风:通过布风板和风帽使床料(或物料)流化起 • 来的空气
气固两相流体力学
颗粒在气相中做变速运动，由于变速运动增加的阻力，其表达 式为：
F B a3 2d p 2(
1t
1d
g g)2t0(t t')2d t(v g vp)d t'
对其气固两相流，Basset力为颗粒沉降阻力（斯托克斯阻力） 的十分之一，通常忽略其影响；但对于液固流，该力必须考虑。
10.2.7 Saffman升力
颗粒开始出现运动噎塞，形成料栓，运动变为不稳定状态。
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气固颗粒两相流体力学
4. 柱状流 栓状的固相颗粒聚集，形成料柱。
10.3.2 水平管道内的流型 1. 均匀流
固相在管道横截面内分布均匀，流动通畅。 2. 疏密流
重力作用显现，颗粒分布呈疏密不一分布，底部颗粒跳跃前进。 3. 沙丘流
颗粒在重力作用下开始沉降，在管道下部形成波纹状沙丘。 4. 栓状流
单位管长中颗粒质量与输送气体的质量之比称为真实混合比。
'q qm m g p//v vg p g p '' 1 g p1 v vg p
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气固颗粒两相流体力学
10.2 作用在固体颗粒上的力 气固两相流问题的解决依赖于颗粒相与气相之间的动量交换，
为了很好地计算动量交换，必须对它们之间相互作用力给出描述。 10.2.1 重力
固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，颗粒两侧流速不同导致
一个由低速区指向高速区的作用力。对于低雷诺数流动区域
（Re<1）：
F s 1 .6 1 d p 2 (gg ) 1 /2 ( v g v p )|d v g /d y |1 /2
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气固颗粒两相流体力学
10.2.8 Magnus效应 固体颗粒在气相中存在旋转时，会产生一个与流动方向垂直的、
第二章 气固两相流动的流型
流型是气力输运问题中的重要参数，它的 精确测量为气力输运的安全性和经济性提 供保障，特别是在阻塞时，这一特殊流型 是最易引发事故的。确定气固两相流的流 型对于其它流动参数的精确测量也是必要 的。
• 有许多关于流型研究的报告，文献探索了
压力波动信号与流型之间存在的某些关系， 但由于气固两相流流型的模糊性、不确定 性等流动过程中的复杂因素，使得流型的 在线测量到至今尚无比较有效的方法。
3. 栓状流 当空管速度降低到略低于流态化的极限速度 时，颗粒群开始噎塞管道，形成料栓，成为不稳 定的栓状流。 4. 柱状流 随着空管速度的进一步降低，栓状流动也不 能保持，诸料栓聚集成料柱，气体像通过多孔介 质那样流过料柱，同时以它的压强推动料柱向上 输送。
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• 目前，流型辨识有：直接测量法、间接测
量法和k~ 近邻流型辨识算法。这些算法 由于受各种因素的影响，造成流型判别不 准。如：功率谱密度函数分析法 、模糊神 经元网络辨识 等等
2.3.1 水平管道内的流型 当通过管道的气流速度由高速向低速变化时，会 出现以下几种流型。 1. 均匀流 当空管速度比经济气流速度高出许多，即气流速 度为高速紊流时，颗粒群在气流中飞翔跳跃、悬 浮输送，而且在管道的所有截面均匀分布。 2. 疏密流 随着空管速度的降低，但仍高于经济气流速度， 重力的影响显著起来，颗粒群在气流中呈上下疏 密不一的非均匀分布，大部分颗粒虽仍悬浮着输 送，但管底颗粒则是滚动跳跃向前推进。
气固两相流动的流型
• 在工业生产过程中，将块状原料经过研磨而成粉粒体，采
用气力输送原料的粉粒体输送系统，可以大大提高输送效 率、减少污染、降低成本、提高质量。在冶金、化工、建 材、电力等部门已得到广泛应用。由于粉粒体具有与固体、 气体和液体不同的特性，受其湿度、粘附性的影响，加上 输送气体压力的波动、输送的煤粉流动状况不稳定，常会 出现管道“堵塞” 出现管道“堵塞”现象，造成输送系统瘫痪，从而影响正 常生产。通过研究流型辨识算法，对气固两相流流型进行 有效的预测和判别，对气力输送系统相关设备进行实时控 制，可以防止“堵塞” 制，可以防止“堵塞”现象的发生。
气固两相流中的悬浮状态
气固两相流中的悬浮状态气固两相流是指由气体和固体颗粒组成的流体系统。
在两相流中，颗粒可以以不同的方式在气体中悬浮，并展示出不同的悬浮状态。
本文将探讨气固两相流中的悬浮状态，包括悬浮颗粒的形态、相互作用以及其在工业应用中的重要性。
一、颗粒的形态在气固两相流中，颗粒的形态可以分为三种：完全悬浮、部分悬浮和沉降。
完全悬浮状态指的是颗粒在气体中均匀地分布，不发生沉降现象。
这种状态需要满足一定的流体速度和颗粒浓度条件，使颗粒能够被气体带动并保持悬浮状态。
完全悬浮状态通常出现在气固两相流速度较大的情况下。
部分悬浮状态则是指颗粒在气体中分布不均匀，有些颗粒仍然沉降。
这种状态常常出现在气固两相流速度较小或颗粒浓度较低的情况下。
部分悬浮状态下的颗粒可能会堆积在管壁或其他障碍物上，并且会对流体传输和传热效果产生影响。
沉降状态指的是颗粒完全沉降到管底或其他固定位置，并且不再保持悬浮状态。
这种状态通常出现在气体速度非常小或颗粒浓度非常高的情况下。
沉降状态下的颗粒会对管道内的流体流动产生阻碍，降低传输效率。
二、颗粒的相互作用在气固两相流中，颗粒之间和颗粒与气体之间存在着相互作用。
这些相互作用对于悬浮状态的维持和颗粒排布产生了重要影响。
颗粒之间的相互作用可以分为静电相互作用、重力相互作用和碰撞相互作用等。
静电相互作用是指颗粒之间由于电荷的存在而产生的吸引力或排斥力。
这种作用可以使颗粒在气体中形成不规则的聚集结构。
重力相互作用是指颗粒在气体中受到的重力作用，通常会使颗粒向下沉降。
然而，在气体流速足够大的情况下，气流可以弥补颗粒下沉的趋势，从而形成部分或完全悬浮状态。
碰撞相互作用是指颗粒之间或颗粒与管道壁之间的碰撞作用。
这种碰撞会导致颗粒的动能转化为热能，对流体传输和传热过程产生重要影响。
颗粒与气体之间的相互作用包括静压力、动压力和剪切力等。
静压力是由于颗粒对气体的阻力而产生的，动压力是由于气体流动产生的，剪切力则是由于气体与颗粒之间的相对运动而产生的。
气固两相流模拟技术的研究及应用
气固两相流模拟技术的研究及应用气固两相流模拟技术，是指模拟气体和固体颗粒同时运动的过程。
其应用场景非常广泛，比如化工制造领域中的气力输送、固体颗粒混合、喷雾干燥等过程，以及环境科学领域中的大气污染、沙尘暴等问题。
因此，气固两相流模拟技术的研究和应用具有重要的实际意义。
目前，气固两相流模拟技术主要采用计算流体力学（CFD）方法或离散元法（DEM）实现。
CFD方法主要基于对流方程，通过数值方法对流体动力学方程进行求解，得出流体的流速、压力等物理参数，以及气体与颗粒之间的相互作用力等参数。
DEM方法则主要基于颗粒运动力学原理，把物质看作是由相互作用的颗粒组成的离散体系，通过求解颗粒的受力情况，来计算颗粒之间的相互作用力、碰撞等参数。
虽然两种方法各有优缺点，但在处理气固两相流时，通常采用CFD-DEM耦合方法。
该方法主要是将CFD和DEM方法的数值模型进行耦合，实现同时对气体和颗粒的运动进行模拟，从而更加准确地模拟气固两相流动态过程。
在气固两相流模拟技术中，最关键的是气体与颗粒之间的相互作用力。
气体与颗粒之间的相互作用力可以分为两类：杆状作用力和碰撞作用力。
杆状作用力主要是指气体因速度梯度而对颗粒施加的作用力；碰撞作用力则是指颗粒之间或颗粒与壁面之间发生的碰撞，由此产生的反作用力。
在气固两相流模拟技术的应用中，最常见的是喷雾干燥领域。
喷雾干燥是指在高速气流中喷入悬浮颗粒，通过颗粒与气体的相互作用，使颗粒与气体之间的热量、质量交换，从而实现悬浮物质的干燥过程。
针对喷雾干燥的气固两相流模拟技术，通常采用CFD-DEM二元模型，考虑气固两相流的微观动力学过程，并通过模拟颗粒与气体之间的传热、传质等物理过程，来研究喷雾干燥的机理和优化干燥过程。
研究表明，采用气固两相流模拟技术可以更好地解释和深入研究喷雾干燥过程中颗粒的运动、热量传递和干燥效果等重要问题。
除了喷雾干燥领域之外，气固两相流模拟技术在环境科学领域，特别是大气环境领域也有重要的应用。
第2章 气固两相流理论汇总
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
❿气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动。
❿与高粘度液体性质相似。
1.1流态化现象ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化➢散式流化d b /dp＜1d b ——气泡直径dp——颗粒直径对于L-S系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf 一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作散式流化态。
颗粒越细，流体与固体的△ρ值越小，则越接近理想流化，流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质➢聚式流化d b /dp＞10对于G-S系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时，整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结：固定床：固体粒子处于堆紧状态，颗粒静止不动的床层，叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床：流体和固体颗粒同时进入反应器，他们互相接触，一面进行反应，一面颗粒移动。
流化床：床层颗粒之间脱离接触，颗粒悬浮在流体中，往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大，但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒分布均匀，颗粒间充满流体，无颗粒与流体的聚集状态，此时已具有一些流体性能。
气固两相流在燃烧器中的应用
气固两相流在燃烧器中的应用1、气固两相流的基本理论不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。
因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。
2、气固两相流的基本特点单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。
一般来说，有以下主要的特点:(1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。
(2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。
(3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。
(4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。
在不等温的热流中还存在着热泳现象。
(5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。
(6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。
(7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。
小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。
3、气固两相流的分类工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。
这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。
浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。
一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。
对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。
固气两相流输送理论简介
3.1固气两相流输送理论载气式送粉器主要依靠动能把粉末均匀、稳定地输送出来，辅之以气体分散和运输，粉末容易分散均匀及流畅运输。
因此送粉器的结构设计和送粉器的应用都要用到固气两相流输送的相关理论。
3.1.1固气两相流输送原理固气两相流，也称气力输送，是一种利用空气流作为输送动力在管道中输送粉粒状颗粒料的方法。
物料在管道中的流动状态实际上很复杂，主要随气流速度及气流中所含的物料量和物料本身料性的不同而显著变化。
通常，当管道内气流速度很高而物料量又很少时，物料颗粒在管道中接近于均匀分布，并在气流中呈完全悬浮状态被输送，见图3-1（a ）。
随着气流速度逐渐减小或物料量有所增加，作用于颗粒的气流推力也就减小，使颗粒速度也相应减慢。
加上颗粒间可能发生碰撞，部分较大颗粒趋向下沉接近管底，这时管底物料分布变密，但物料仍然正常地被输送，见图3-1(b)。
当气流速度再减小时，可以看到颗粒成层状沉积在管底，这时气流及一部分颗粒从它的上层空间通过。
而在沉积层的表面，有的颗粒在气流的作用下也会向前滑移，见图3-1(c)。
当气流速度开始低于悬浮速度或者物料量更多时，大部分较大颗粒会失去悬浮能力，不仅出现颗粒停滞在管底，在局部地段甚至因物料堆积形成“砂丘”。
气流通过“砂丘”上部的狭窄通道时速度加快，可以在一瞬间将“砂丘”吹走。
颗粒的这种时而停滞时而吹走的现象是交替进行的，见图3-1(d)。
如果局部存在的“砂丘”突然大到充填整个管道截面，就会导致物料在管道中不在前进。
如果设法使物料在管道中形成料栓，见图3-1(e)。
也可以利用料栓前后的压力差推动它前进。
以上所说的物料气力输送流动状态中，前三种属于悬浮流，颗粒是依靠高速流的气流动压被输送的，这种流动状态也称为动压输送。
后两种属于集团流，其中最后一种称为栓流，物料依靠气流的静压输送的。
第四种则动、静压的作用均存在。
3.1.2混合比混合比是指两相流中物料量与空气量的比值，由于它反映了输送量和输送状态的标准，是两相流的重要参数之一。
循环流化床工作原理
循环流化床工作原理
循环流化床是一种特殊的反应器，它用于进行粒子间传质、传热和化学反应。
工作原理如下：
1. 气固两相流：循环流化床中床层内同时存在气体和固体颗粒两相流动。
气体由进气口进入循环流化床，经过床层内的颗粒床，然后通过气体出口排出系统。
固体颗粒会在循环流化床中循环流动，并参与传质和反应过程。
2. 流化状态：循环流化床内的固体颗粒受到气体的流化作用，使得床层呈现出类似于流体的行为，形成流化状态。
这种流体化的床层使得固体颗粒能够均匀悬浮于气体中，从而实现了颗粒之间的充分混合和接触。
3. 固体循环：固体颗粒在循环流化床中连续循环，通过固体循环器回收和重新注入系统。
一部分固体颗粒会随气体流出系统，然后经过固体分离器被收集和重新加入到循环流化床中。
这种固体循环的过程可以实现固体颗粒的再利用，提高了反应器的效率。
4. 传质和反应：循环流化床在床层内部形成了大量的颗粒间间隙，使得气体和固体之间的传质和传热更加容易。
当气体通过床层时，会与固体颗粒接触并进行质量传递，从而实现了化学反应的进行。
总的来说，循环流化床通过流化状态和固体循环的方式实现气固两相流动，并利用颗粒之间的混合和接触促进了传质和反应
过程。
这种反应器具有高效、均匀和可控的优点，被广泛应用于化学工艺、石油炼制和环保等领域。
叶轮机械的气固两相流基础
叶轮机械的气固两相流基础叶轮机械是一种广泛应用于工业和民用领域的机械设备，它的工作过程中常常涉及到气固两相流的问题。
气固两相流指的是气体和固体颗粒同时存在于同一空间中运动的流动状态。
叶轮机械的气固两相流基础研究是指对其工作过程中气固两相流现象的物理特性、数学模型、实验方法等方面进行的系统研究。
在叶轮机械中，气固两相流的存在会引起多种不利影响，如：颗粒碰撞对叶轮和其它部件的磨损和损伤，颗粒的沉积和堵塞导致流量减小和系统失效等。
因此，对于叶轮机械中的气固两相流现象进行深入研究，有助于改进叶轮机械的设计和运行，提高其效率和可靠性。
在气固两相流的研究中，常用的数学模型包括欧拉模型、拉格朗日模型和欧拉-拉格朗日混合模型等。
其中，欧拉模型将气固两相流看做一个连续介质，通过守恒方程和状态方程来描述其运动规律；拉格朗日模型则将每个颗粒看做一个独立的粒子，通过牛顿力学等经典物理方程来描述其运动；欧拉-拉格朗日混合模型则综合了欧拉模型和拉格朗日模型的优点，能够更好地描述气固两相流的运动和相互作用。
除了数学模型，实验方法在叶轮机械气固两相流研究中也起着重要作用。
常见的实验方法包括粒子成像测量、压力传感器测量、热丝测量等。
这些方法可以直观地观测和记录气固两相流的物理现象，为数学模型的验证和修正提供了实验数据。
综上所述，叶轮机械的气固两相流基础研究是一个复杂而且具有
挑战性的领域，它对叶轮机械相关产业的发展和应用具有重要的意义。
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参考书目
张少明编. 《气固两相流导论讲义》 岑可法，樊建人. 《工程气固多相流动 的理论及计算》. 杭州:浙江大学出版 社,1990 小川明著. 周世辉,刘隽人译. 《气体中颗 粒的分离》. 北京:化学工业出版社,1991 金涌，祝京旭等.《流态化工程原理》.北 京：清华大学出版社，2001.
气固两相流
Gas solid two-phase flow
气固两相流的定义
由气体和固体两种物相一起共同组成的 流动体称为气固两相流
《气固两相流》课程研究内容
气固两相流中颗粒的受力分析 作用在颗粒上的曳力特性 颗粒在流体中的运动 相似原理及其在气固两相流中的应用 管道中的颗粒运动及气力输送 气固流态化简介 气固两相流的计算机模拟
本课程的教学方法
课堂讲授：以介绍基本概念及基本原理 为主，对具体的研究结果仅举例说明； 课后自学：根据研究方向及兴趣爱好， 通过查阅相关研究成果（期刊文献、专 利等），归纳总结出与研究课题相向，按要求完成某 一方面相关内容的文献综述（以多 媒体方式介绍10～15分钟） 2、平时成绩 3、闭卷考试