第二章 气固两相流动的基本概念和特性参数

气体-颗粒流的主要特点是它们有不同的速度， 也可以有不同的温度，以致两相间必然发生相互 作用；颗粒受到气流的阻力作用，而且与气体有 热交换。这样互相作用的结果，就使它们的速度、 温度逐渐接近，最终达到某种相对平衡状态。它 们接近的瞬时速率决定于该瞬时的速度差和温度 差。这样的接近过程称为松弛过程，并用松弛时 间表示其特征时间
其中 W 和 W 分别是单位时间通过的颗粒质 量和气体质量，当颗粒速度 u 等于输送气 流速度 u g 时，则
p
g
p
z

p
(1 )
g

（2-6）
• 混合比z是一个无量纲量。它是气固两相流
中一个很重要的参数。它的大小直接影响 输送管道内压力损失。混合比越大，对于 增大输送能力来说是有利的。但混合比过 大，在同样气流速度下可能产生堵塞，输 送压力也增高。因此混合比的数值受物料 的物理性质、输送方式以及输送条件等因 素的控制。
第二章 气固两相流动
• 气固两相流广泛存在于煤粉燃烧、气力输
送、环保除尘等场合。 • 其特性参数主要包括浓度、空隙度、密度、 比面积、粘度、比热、导热系数、颗粒松 弛时间、颗粒平均尺寸等等。
2.1 气固两相流动的基本概念和特性参数 2.1.1 气固两相流动的基本概念 1．气固两相流的基本特点 气体分子分布均匀，而颗粒是分散的、直径大小不同，为 了简便起见仅考虑一个平均尺寸。 颗粒相一般不作为连续介质。 颗粒相的惯性比较大，气体和颗粒之间存在着速度的滑移， 因而各自运动规律会相互影响。 颗粒之间以及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有 不同速度。
n V
两相混合物的密度
W / V
g
(1 )
p
(2-10)
这是按体积份额计算的。如按质量份额计算，则 有 1 1 （2-11） g p
5．球形度 实际的颗粒大都是不规则的形状，并不是球形的。 因此，把颗粒看作为球形进行理论分析一定会与 实际情况不一致。一般需要将理论公式进行修正。 球形度表示颗粒接近球形的程度，它的表达式是 非球形颗粒的实际表面 A 与非球形颗粒同体积的 圆球表面积 A s 之比，即
• 2．粒径
粒径表示每个固体颗粒的大小程度，是判断固体 颗粒粗细程度的一个指标。。如果颗粒是球形的 或近似于球形的，那么可以取其直径作为粒径。 若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测 定并将其表示出来是几乎不可能的。许多人提出 了各种各样的粒径测定方法，在这些方法中，实 际应用的大致有两种。
1）直接测定的当量直径(显微镜粒径)：当颗粒的 大小能用显微镜直接测定时可以取投影面一定方 向上的各个颗粒的最大尺寸作为颗粒的粒径。 2）间接测定的有效直径(沉降颗粒直径)：根据颗 粒在气体或液体中的沉降速度求得颗粒的有效直 径。它主要用于测定不能用筛网计测的极小微粒。 首先测定出球体颗粒的沉降速度，再根据公式求 出沉降速度相应的球体直径。
浓度通常的指单位容积的气固两相混合物 内所含的颗粒质量。
c Wp V Vp Wp V Vp (1 )
p
（2-7）
输送浓度是指单位时间内单位容积的气体 所输送的固体重量，用符号 表示。

Wpg Vg Wpg Wg Wg Vg z g g
（2-8）
• 输送浓度是有量纲量。对于稳定的均匀流
• 3．粒度分布
颗粒物料中通常包含有各种不同粒径的颗粒，对 不同粒径的颗粒在物料中所占的百分数，可以用 粒度分布表示。颗粒度分布曲线的作法如下：首 先取出一部分代表性物料，将颗粒径按几微米大 小的间隔进行分区，分别测定个颗粒粒径间隔间 的颗粒重量或颗粒个数。然后以颗粒径为横坐标， 以相同颗粒径间隔(10) 之间的颗粒重量(或颗粒数) 的百分数为纵坐标，画出矩形图。最后将所画出 的各矩形上面的线段的中点连接，便可以得到颗 粒度分布曲线。
p
As / A p
（2-12）
• 球形度与空隙率有关，球形度越小，在密
度填充时，由于表面形状极不规则，颗粒 可以互相交错，使空隙率减小。在松散填 充时，颗粒间空隙增大，空隙率也增大。
2.1.3 气固两相流动的基本特性 1．稀相和浓相 顾名思义，稀相是指气相中悬浮着很少的 固体颗粒。浓相是指气相中含有很多的悬 浮颗粒。要确切地给出稀相和浓相的界限 是很困难的。
1）速度松弛? 2）温度松弛?
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• 4．平均粒径
平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均 值。平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。确定 平均粒径的方法很多，大致有算术平均、几何平 均、调和平均、面积长度平均、体面积平均、重 量平均、平均表面积、平均体积、比表面积、中 径和多数径等。其中应用最多的是中径和多数径。 同一颗粒群用各种方法平均后，会得到各种不同 的平均粒径值。
2.1.2 气固两相流动的特性参数 设气体－固体颗粒混合物的体积为V，质量 为W，其中气体的体积为 V ，质量为 ； W 固体颗粒的体积为 ，质量为 ，颗粒 V W 数为 N 。
g
g
p
p
1. 质量含气率 气体质量占两相混合物质量的份额为质量 含气率，即 W W （2-1）
g g
W
Wg W
W
p
而
1
W W
p
p p
Wg W
（2-2）
为质量含固率。
2. 容积含气率 气体体积占两相混合物体积的份额为容积 含气率，即

Vg V
1 Vp V

Vg Vg Vp
Vp Vg Vp
（2-3） （2-4）
而
• 为容积含气率。它是研究气体－固体颗
粒两相流的重要参数之一。容积含气率与颗 粒的球形度、均匀程度和堆积情况有关。颗 粒的球形度小的，即形状不规则的，由于颗 粒群可以相互交错，容积含气率小；颗粒粒 径不均匀的，颗粒群中的细颗粒可以填充在 粗颗粒之间，比粒径均匀的容积含气率要小； 密实堆积比较松散堆积的容积含气率小。一 般物料任意堆积时的容积含气率约为0.4。
• 有两种常用的区分方法：一是以颗粒的百分含量区分；用
颗粒的容积百分含量区分时，把颗粒的容积百分含量大于 某一浓度指标的气固两相混合物称为浓相，低于该浓度指 标的称为稀相。 二是从颗粒群的运动机理来加以区分。颗粒群中的颗粒运 动是受空气动力以及颗粒之间相互碰撞的两种力所支配。 如果颗粒的运动的由当地气动力所支配，与颗粒-颗粒的 碰撞无关，这意味着气流中颗粒极稀少，粒子在下一次碰 撞前有足够的时间响应当地的流场变化，这种气体-固体 两相混合物的流动称为稀相流动。相反，如果颗粒的运动 主要由碰撞所支配，与当地的流场无关。这种情况意味着 颗粒很浓，颗粒在下一次碰撞前没有充裕时间响应流场变 化，这种气体-固体两相混合物的流动称为浓相流动。
• 3．混合比和浓度
气固两相流中的混合比（或载荷比）是指 单位时间内通过输送管道有效截面的颗粒 的质量与气体的质量之比值，用符号z表示。
z W
p

pu p Ap g u g Ag

p u p (1 ) A g u gA
Wg


p
u p (1 )
g ug

（2-5）
St 1
• 3．颗粒的沉降速度和悬浮速度
研究气流中颗粒的运动，很重要的问题是 要知道颗粒的大小以及它的特性。颗粒的 特性首先明显的表现在沉降或悬浮速度上。
沉降速度的计算式
u
2 w

4 gd 3C D
p
p g g
（2-14）
通常称为“标准阻力系
圆球的阻力系数 数”。
CD
• 4. 松弛过程
•
• 2．平衡流和冻结流 斯托克斯数
气体-颗粒两相混合物的流动中，颗粒的速度与 输送气体的速度相等时，即 u p = u g 称为平衡流。 如果颗粒的速度不受输送气体的影响，或者说， 颗粒有足够的时间来响应气体流场的变化，对于 这种流动称为冻结流。因此，平衡流也可以理解 为颗粒有充分时间响应气体流场的变化，使颗粒 始终保持与气体的速度相等。
动，混合比在管道内各部分都是一定的。 但是，输送浓度由于空气的膨胀（或压 缩），引起空气密度的减小（或增大）， 而使输送浓度逐渐变小（或增大）。在流 道的不同位置上，输送浓度的变化又直接 影响该处的能量消耗，所以对于这种流动 可以用输送浓度来计算压力损失值。
4. 数密度 单位体积混合物所含固体颗粒的数目称为固相的 数密度，即 N (2-9)
平衡流与冻结流可以用斯托克斯相似准则数加以 区别，该相似准则是空气动力响应时间和流动的 滞留时间的比值。
St
u r

pd
2 p
ug L
18 g
（2-13）
u St 1 时，即 u r ， p 接近 u g ，称平衡流。
时，即 u r ，不受流场变化的影响而 接近常数，称冻结流。根据经验，St 0 . 1 的流 动可看着平衡流。