颗粒在湍流气流中运动的受力分析
颗粒在流体中的运动
mdu dt
F
合力为零时，颗粒与流体之间将保持
一个稳定的相对速度。
Fb Fd
FdFg-Fb
Fg
CD2 ut24 d2 p1 6d3 p pg
ut
4 dp p g 3 CD
——重力场中的沉降速度
ut 由颗粒与流体综合特性决定，包括待定的曳力系数CD
10
自由沉降与沉降速度（Free settling and settling velocity）
义的形状系数A。
13
流体通过固定床的流动
固定床（Fixed bed）：固定不动的固体颗粒层 例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体 在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。
颗粒床层的几何特性
粒度分布 测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流 体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒，粒度一般大 于70mm，通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。
主要几何特征。
等体积当量直径 deV
d eV
3
6V
等表面积当量直径 deA
A d eA
等比表面积当量直径 dea
ap Ap 6 Vp dp
d ea
6 a
6 AV
颗粒形状系数
A
ap a
非球形颗粒4个几何参数之间的关系
A
deV deA
2
dea deV
工程上多采用可以测量的等体积当量直径 deV 和具有直观意
——斯托克斯（Stockes）定律
颗粒雷诺数
Rep
d pu
严格说只有在 Rep < 0.1 的爬流条件下才符合上式的求解条件
7
曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient）
第一章 颗粒受力分析
2
浮力
1 3 F f d p g g 6
在下一章 单独介绍 （主要是 CD的计算 方法） 气 流
重力
1 3 Fg d p p g 6
1.2 气体作用下单颗粒的作用力(二)
在气固两相流中，颗粒除了受上述气体的作用力以外还 可能受到如下的作用力
《气固两相流》多媒体课件
压力梯度力 虚假质量力（表观质量效应） Basset力 Magnus升力 Saffman升力 热泳力 静电力
如果上述颗粒作匀速直线运动时，其压力分布呈 对称形式为：
p p
g v2 p
9 (1 sin 2 ) 2 4
《气固两相流》多媒体课件
由上述两种情况下的压力分布比较可以看出，颗粒在 流体中作由于作变速直线运动，球形颗粒表面所受到 的压力增加了如下部分：
g rp2源自cosdv p dt
《气固两相流》多媒体课件
1.2.1 压力梯度力
1、概念
颗粒在有压力梯度存在的流场中运动时,颗粒除了受 流体绕流引起的阻力外,还受到一个由于压力梯度引
起的作用力——压力梯度力
《气固两相流》多媒体课件
2、压力梯度力的计算 •颗粒表面由于压力梯度 而引起的压力分布为：
p x
y
p p0 rp( 1 cos θ)
r p g
dt
dt
p
g
dt
dt
此时的虚假质量力为
dv p dvg 1 FVm gV p ( ) 2 dt dt
《气固两相流》多媒体课件
3、虚假质量力的实验研究 实验结果表明，上述理论计算中的系数1/2 偏小，因而通常用系数Km代替之，即：
FVm K m gV p ( dvg dt dv p dt )
空气湍流现象原因分析及预测方法讨论
空气湍流现象原因分析及预测方法讨论空气湍流是指气流流动时出现的不规则、混乱的涡流现象。
在大气中，湍流广泛存在于各种尺度的气流中，从微观的颗粒运动到宏观的大尺度天气系统中都可以观察到湍流现象。
了解空气湍流的原因和预测方法对于气象学、航空航天领域以及城市规划等方面具有重要意义。
首先，空气湍流的主要原因可以归结为气流的不稳定性和非线性行为。
气流的不稳定性源于各种因素的相互作用，如地表温度梯度、风速剖面变化、地形起伏等。
这些因素导致气流发生运动和混合，产生涡旋结构和不规则的强度变化。
而气流的非线性行为则是由于流体的非线性性质，例如流体运动的非线性对流项和非线性的扩散项，对流引起的湍流扰动和杂散项的相互作用等。
其次，通过观察和实验研究，科学家们发现了一些常见的湍流形态和发生机制。
一种常见的湍流形态是Kolmogorov湍流，它是一种在中等到高雷诺数下出现的湍流形态。
Kolmogorov湍流的特征是具有广泛的尺度范围，小尺度湍流强度高，大尺度湍流强度低。
另一种常见的湍流形态是层流过渡到湍流的形态，其中涡旋结构逐渐形成并导致湍流的出现。
这些湍流形态的出现可以通过数值模拟和实验手段来研究和观测。
针对空气湍流现象的预测方法，科学家们已经提出了多种模型和技术。
其中一种常用的方法是基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的模拟。
该方法通过对流体流动过程中湍流的平均统计行为进行建模和求解，来预测湍流现象。
另外，还有一种叫做大涡模拟（LES）的方法，它在空间上将湍流过程分解为大尺度和小尺度，并采用不同的模型对它们进行数值求解。
LES方法相比于RANS方法，能够更准确地描述湍流的特征。
除了模型方法，另一种常见的预测湍流的方法是通过实验手段获取数据并进行分析。
实验方法包括风洞试验、气象观测和现场测量等。
通过这些实验手段，科学家们可以获得湍流的各种参数和特征，对湍流现象进行统计和分析。
此外，还有一些先进的仪器和技术被应用于湍流现象的观测和预测，如激光多普勒测风仪（LDV）、高分辨率雷达观测等。
第三章 颗粒与流体之间的相对流动2006-2
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域 的计算式是近似的。
二、重力沉降
重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而
发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。
1 沉降速度
1.1 球形颗粒的自由沉降
自由沉降（free settling）： 单个颗粒在流体中沉降，或
者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的 条件下沉降。
4
2 .5 5
1 . 11 m / s
假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径为
1 1
d
pc
u tc
225 2 2 4g ( p )
5
3 u tc
225 2 2 4g p
1
3
225 2 . 53 10 0 . 779 3 1 . 11 2 3 2 4 ( 9 . 81 ) ( 2 . 0 10 ) 1 . 58 10
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。 加热：
3) 两相密度差( p-)：
在实际沉降中： 4) 颗粒形状 非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s—— 球形度；
S —— 颗粒的表面积，m2； Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。
当含尘气体的体积流量为Vs时， 则有
u= Vs / Hb
ut≥Vs / lb
或
Vs≤ blut
故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为
utc=Vs / bl
临界沉降速度utc是流量和面积的函数。
当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为
大气环境中颗粒物沉降速度分析与预测
大气环境中颗粒物沉降速度分析与预测近年来，随着人们对环境污染的关注日益加深，大气颗粒物污染成为了一个备受关注的问题。
而颗粒物的沉降速度，作为评估其扩散和迁移能力的重要指标之一，对于了解颗粒物在大气中的行为具有重要意义。
本文将分析大气环境中颗粒物沉降速度的影响因素，并尝试对其进行预测。
一、颗粒物的类型和特性大气环境中的颗粒物主要包括可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和可见颗粒物（PM1），其直径大小分别不超过10微米、2.5微米和1微米。
颗粒物的来源多样，包括工业生产、机动车尾气、燃煤等。
颗粒物在大气中的行为受到多种因素的影响，包括大气动力学条件、气象条件、地形和气溶胶特性等。
二、颗粒物沉降速度的影响因素1. 颗粒物的粒径：颗粒物的沉降速度与其粒径大小呈正相关关系。
一般来说，颗粒物粒径越大，其沉降速度越快。
因此，可见颗粒物的沉降速度相对较快，而细颗粒物的沉降速度较慢。
2. 大气动力学条件：大气中的气流对颗粒物的沉降速度具有重要影响。
当气流较大时，颗粒物的沉降速度会增加；反之，当气流较小或静止时，颗粒物的沉降速度会减慢。
3. 颗粒物的密度和形状：颗粒物的密度和形状是影响其沉降速度的重要因素。
一般来说，颗粒物的密度越大，沉降速度越快。
此外，颗粒物的形状也会对沉降速度产生影响。
4. 大气湍流效应：大气中的湍流效应会使颗粒物的沉降速度增加。
湍流效应使得颗粒物在气流中不断受到颠簸和扰动，从而增加了其与气流相互作用的机会，从而加快了颗粒物的沉降速度。
三、颗粒物沉降速度的预测方法为了更好地了解和预测大气环境中颗粒物的行为，科学家们采用了多种方法对其沉降速度进行预测。
1. 经验公式法：经验公式法是一种简便可行的预测方法，通过对颗粒物的粒径、密度等参数进行测量和推算，然后利用已有数据得出公式，从而估计颗粒物的沉降速度。
2. 气动直径法：气动直径法是一种基于颗粒物在气流中受到的空气阻力的预测方法。
通过测量颗粒物的气动直径大小，再结合气流速度等参数，可以预测颗粒物的沉降速度。
颗粒的对流机制
颗粒的对流机制一、引言颗粒的对流机制指的是颗粒在流体中由于密度差异而产生的垂直运动。
这种对流现象在自然界和工业领域中都非常常见，如大气中的对流云、地球内部的岩浆对流等。
了解颗粒的对流机制对于理解自然现象和优化工业过程具有重要意义。
本文将从颗粒对流的基本概念、机制和影响因素等方面进行探讨。
二、颗粒对流的基本概念颗粒对流是指由颗粒在流体中上升或下沉的运动。
在流体中，颗粒的密度可能会与流体的密度不同，从而形成密度差异。
当颗粒的密度大于流体的密度时，颗粒会下沉；当颗粒的密度小于流体的密度时，颗粒会上升。
这种运动形成了颗粒对流现象。
三、颗粒对流的机制颗粒对流的机制主要包括两种：弥散对流和大尺度对流。
1. 弥散对流弥散对流是指颗粒由于热扩散和浓度差异而产生的对流运动。
当颗粒的温度或浓度与周围流体的温度或浓度存在差异时，颗粒会由高温或高浓度区域向低温或低浓度区域扩散。
这种扩散过程会产生对流运动，使颗粒在流体中上升或下沉。
2. 大尺度对流大尺度对流是指由于流体的外部力作用而产生的对流运动。
当流体受到外部力的作用时，会形成流体的运动模式，如对流涡旋、涡流等。
这种运动模式会带动颗粒的运动，使颗粒在流体中上升或下沉。
四、颗粒对流的影响因素颗粒对流的发生和发展受到多种因素的影响，下面列举了几个主要因素：1. 颗粒的密度差异颗粒的密度差异是引起颗粒对流的主要原因。
当颗粒的密度与流体的密度存在较大差异时，颗粒对流现象会更加明显。
密度差异越大，颗粒的上升或下沉速度越快。
2. 流体的性质流体的性质也会影响颗粒对流的发生和发展。
流体的黏度、密度、温度等参数都会对颗粒的运动产生影响。
黏度越大，颗粒的运动越受阻碍；温度越高，颗粒的对流现象越明显。
3. 外部力的作用外部力的作用是引起颗粒对流的重要因素。
外部力可以来自于重力、电场、磁场等。
这些力的作用会改变流体的运动模式，从而带动颗粒的对流运动。
4. 颗粒的形状和大小颗粒的形状和大小也会对对流现象产生影响。
两相流
马格努斯力
萨夫曼升力
FM π a p ρ ω V［1 O( Re)］
3
当Re<1时，有
两者的区别
• 受马格努斯力力的颗粒一定是自身在旋转，而受萨夫曼 提升力的颗粒自身并不一定旋转 • 马格努斯力是由于颗粒本身旋转的角速度改变了颗粒两 侧速度而产生的由速度低一侧向高速一侧运动的力， • 萨夫曼力是粒子处于边界层，在垂直于粒子的运动方向 本身存在速度梯度，因而导致粒子有低速向高速提升的 力
Part 02
露天堆煤场粉尘研究
露天堆煤场粉尘的起尘机理
从国内外煤场有关调研资料分析，煤场的主要大气环境问题是煤 炭堆放及装卸过程中粒径较小的煤 粒在风力作用下漂移,对下风，向
大气环境造成污染，污染物主要就是煤堆起尘、装卸及地面扬尘 。
根据布伦特 (Brunt D)的估算，当风速超过 1m/s时，空气的流动
必然为湍 流。据此，堆煤场由于刮风所引起的扬尘可看作湍流对尘
粒的搬动 。
湍流中尘粒的受力分析
在 湍 流 作 用 情 下，气流作用于 颗尘粒上的力主 有： 迎 面 阻力 或 拖 力FD 上 升 力FL 冲 击 力Fm 重 力W 粒子间作用力fi 况 单 要
曳
拖 曳 力 ( FD) 由 两 部 分 组 成 : 第 一 部 分 为 气 流 和 尘 粒 表 面 摩 擦 而 产 生 的摩 擦 力 FD 1。只 有 一 部 分 尘 粒 表 面 直 接 和 气 流 相 接 触 ，摩 擦 力 FD 1并 不 通 过 尘 粒 重 心 ， 方 向 也 不 与 气 流方向相同。 第 二 部 分 为 作 用 于尘 粒 上 的 风 压 力 ， 即 由 于
露天煤堆粉尘的起动过程
在风力作用下，当平均风速约等于某一临界值时，个别突出的尘粒受湍流流速和
【流体力学与传热】3.1 颗粒沉降
3.3.1 固体颗粒在流体中的沉降运动
一、 颗粒沉降运动中的受力分析
d，s的球形颗粒
1. 场力
重力 离心力
π 6
d
3
s
g
π 6
d 3sar
π 6
d 3s
u
2 t
r
2. 浮力 重力场 离心力场
3. 阻力
π d 3g
6
π d 3 ut2
6r
颗粒与流体的相对运动 绕流，形成边界层
表面阻力与形体阻力
微元面所受力在垂直于流动方向上的分量沿颗粒表 面的积分
此时气体的处理量为原来的2倍，为 5400 m3h-1
（3）若生产能力相同，则每层的处理量为原来1/2，
dmin
18m Vs
gs A0
则完全除去的尘粒的最小颗粒 直径为原来的 1 ，为45.74um
2
3.3.3 离心沉降与设备
一、 离心沉降速度
ur
4d s ut2
3CDr
u0
4d s g
球形颗粒群的等比表面积平均直径dam为
d am
6 am
1 wi
d ai
3.2.2 颗粒床层的特性
一、床层的空隙率 颗粒间的空隙体积与颗粒床层的总体积之比，即
Vb Vp 1 Vp
Vb
Vb
：床层的空隙率，无量纲；
Vb：床层的总体积，m3； Vp：床层中颗粒所占的体积，m3。
均匀的球形颗粒：0.26-0.48，非球形颗粒较大
目 筛孔尺寸， 线径， 目 筛孔尺寸， 线径，
数 mm
mm
数 mm
mm
4 4.699
1.651 20 0.833
0.437
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颗粒在湍流气流中运动的受力分析
湍流是一种不均匀的复杂流动，由大量微小的细胞组成，其大小在10^(-5)～10^(-3)m之间。
湍流中的物质无论是液体、气体或固体，都可以被称为粒子，而这些湍流中的粒子有着不同的形态和大小，从微小的气滴到大型的沉积物等，它们在湍流中都存在着。
当粒子在湍流气流中运动时，它们会受到来自湍流的不同类型的力的影响，这些力包括湍流的流体阻力、空气的热对流阻力和粘性阻力等，其中最重要的是流体阻力。
流体阻力是粒子在湍流中被动承受的力，它与粒子的形态、大小、速度大小、流体粘性等因素有关，同时，由于湍流中的空气温度变化会影响热对流阻力，而空气的粘性也会影响粘性阻力。
在讨论粒子运动的受力分析之前，必须先了解湍流气流的传质机理。
湍流气流传质特性有很多，其中最主要的有流体抵抗力、空气温度的变化及粘性滞后性，而这些都将直接影响到细胞的运动。
接下来，要研究细胞在湍流气流中的运动受力分析，首先需要考虑它们运动过程中受到的力。
首先考虑的是湍流气流阻力，即质点受到其流体的流体阻力。
湍流气流力可以用粒子运动方程式来表示，其中最强烈的流体阻力主要来自于液体粘性，也就是湍流气流中的粘性阻力，而流体粘性与湍流气流的大小和复杂性有关。
在湍流气流中，空气的热对流阻力也是十分重要的，而这种阻力会随着温度的不断变化而发生变化。
结合以上分析，可以得出结论，当颗粒在湍流气流中运动时，它
们会受到湍流的流体阻力、空气的热对流阻力和粘性阻力等不同类型的力的影响，这些力受影响因素的变化也会对细胞运动有着不同程度的改变。
另外，在对粒子运动受力分析时，还需要考虑湍流气流的传质特性。
因此，在研究粒子在湍流气流中运动的受力分析时，必须准确地掌握湍流的流体阻力、空气的热对流阻力和粘性阻力等受力因素，并且要考虑湍流气流的传质特性。
这些都将极大地影响到细胞在湍流气流中的受力分析。