臥螺離心機轉鼓內基于稠密顆粒流氣-液-固三相耦合運動過程機理的研究.pdf

1、臥式螺旋離心機是工業(yè)上常用的固液分離設備，其基本原理是利用離心力和螺桿軸向推動力實現(xiàn)密度不同的液固兩相的分離。該設備具有自動化程度高，能夠無人值守連續(xù)性生產的特點，應用前景十分廣闊。在臥螺離心機正常工作過程時轉鼓內存在氣-液-固三相流中各相之間耦合運動，而現(xiàn)有的兩相流理論無法準確描述氣-液-固多相顆粒流在離心機轉鼓內流動狀態(tài)，使離心機的固液分離理論不能滿足實際的工業(yè)生產需求。因此，本文基于歐拉模型理論體系，建立能夠用于多相流的曳力模型，

2、在螺旋線坐標下構建臥螺離心機數(shù)學模型，分析固液兩相在離心機內的運動機理，研究在不同操作條件下顆粒流在離心機內部的運動規(guī)律，提出離心機出口物料含水率的預測方程，為離心機的結構設計和操作工藝優(yōu)化提供理論基礎和科學依據。
　　基于顆粒流運動理論，本文完善了稠密顆粒運動本構方程以描述在離心機工作過程中固相顆粒在其內部的運動行為。通過在傳統(tǒng)稠密顆粒流固相摩擦壓力方程中提出了新的壓力常數(shù)，在固相摩擦黏度方程中添加顆粒碰撞摩擦黏度方程和滯后運動

3、方程，并提出了新的流體湍流與顆粒碰撞對擬熱動能源項模型以封閉顆粒擬熱動能平衡方程，完善了稠密顆粒運動本構方程。并通過顆粒擬靜態(tài)堆積實驗和稠密顆粒流剪切力運動實驗，驗證了該本構方程對模擬稠密顆粒流運動行為的可靠性。應用建立的稠密顆粒流運動模型方程，研究了顆粒群擬靜態(tài)堆積和剪切力運動過程中的力學性質的變化。
　　針對現(xiàn)有連續(xù)相-分散相的兩相流曳力理論模型，無法模擬臥螺離心機運行過程中氣-液-固三相并行存在的運動狀態(tài)，本文建立了新的多相

4、流流體力學耦合計算模型（TCP理論模型）用以模擬氣-液-固三相間的耦合運動行為關系。根據臥螺離心機內氣相和液相的運動特點，在該模型中，氣相和液相按照體積分數(shù)加權的形式組合為一個新的虛擬連續(xù)相，進而將氣-液-固多相流體系簡化為虛擬連續(xù)相-分散相的多相流體系。將原有的氣-液-固三相間復雜的曳力作用行為簡化為兩部分：一是虛擬連續(xù)相與分散相之間的曳力作用；二是虛擬連續(xù)相內部的動量分配過程。通過氣-液-固三相鼓泡床實驗對該模型進行了驗證，結果表明

5、TCP理論模型有效的簡化了數(shù)值模型中的各個相間復雜的曳力耦合計算過程，在非均勻性相分布體系中實現(xiàn)了有效平滑的從多相流流動到單相流運動過程中的過渡，提高了計算精度。采用TCP理論模型，對三相鼓泡床中的氣相、固相和液相的運動狀態(tài)進行了模擬研究，討論這三相流體之間的運動耦合性質及其相互作用關系。
　　采用本文完善的稠密顆粒流運動本構方程和提出的TCP理論模型，在螺旋運動參考系下建立了臥螺離心機數(shù)值模型，用以描述離心機轉鼓和螺桿的相對運<

6、br>　　動過程對轉鼓內混合物料運動的作用規(guī)律，并通過臥螺離心機污泥脫水實驗的研究驗證了數(shù)學模型對于臥螺離心機內部流場運動模擬的可靠性。在此基礎上，本文分析了固相和液相在離心機內部運動機理，當固液兩相在離心力作用下按照密度差在離心機內部分層后，這兩相在離心機軸向推動作用下的運動發(fā)生變化：由于固相顆粒群與離心機內壁面具有較大的摩擦作用，其所受到離心機的剪切作用較強，因此固相運動速度隨離心機內壁面的推動作用逐漸增加，固相的運動方向亦隨之在離

7、心機筒段內發(fā)生折返；與之相對，由于液相的黏度較小，其所受到的離心機的剪切作用較弱，因此液相的運動方向較難發(fā)生變化。固相顆粒在進入離心機后會向離心機的小端方向運動，而液相則從離心機的大端處溢流而出。所以固液兩相在離心機軸向方向按照彼此所受到的剪切作用的強弱，這兩相之間的相對運動方向發(fā)生改變。通過研究不同操作條件下離心機內部流場流動行為，得到了離心力和軸向推力對固相和液相在離心機內部運動的影響規(guī)律。針對在離心機不同操作條件下固相和液相在離心