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基金青年科學基金項目(51306035)；國家留學基金委“國家建設高水平大學公派研究生項目”；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃項目；東南大學優(yōu)秀博士學位論文基金資助摘要摘要流化床反應器因其高效的傳熱傳質與連續(xù)處理大量顆粒的能力，在不同工業(yè)領域中得到了廣泛的應用。伴隨著流化床處理對象與手段的多樣化，顆粒性質經常發(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的反應效率以及反應器的穩(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，對此類流化床反應器的設計和運行具有重要的指導意義。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知。全文主要的研究內容和成果如下：(1)顆粒層面上，設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節(jié)液膜的粘度與厚度實現(xiàn)：提出采用橫向擾動風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行斜向碰撞的目標，克服了傳統(tǒng)的傾斜平板法只能應用高粘度、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準確獲取

5、了顆粒的運動軌跡和速度等動力學參數(shù)，為顆粒碰撞模型的構建奠定了堅實的基礎。與準靜態(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??；在切向方向上，能量耗損

6、過程主要由液膜厚度主導：厚度較大時，液體主要起阻力作用，而當厚度較小時，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)進行修正，并結合液體彈性動力學理論和經典的流體力學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系數(shù)模型，獲得了較為準確的預測結果。(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，克服了傳統(tǒng)引入方法粘性力分布不均且復現(xiàn)性差的缺點，同時基于圖像處理技術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，促進了氣泡在床層頂部區(qū)域的分裂過程。粘性力對床內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，減弱了床兩側顆粒的運動強度，導致