【摘 要】
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在环境领域的气浮工艺、选矿领域的浮选过程以及在煤气化领域的煤气化炉激冷室内等,都存在着气泡穿越固液两相的三相流动过程。在该过程中存在着科学的共性问题,即颗粒在气泡作用下会发生悬浮、沉降和夹带等运动过程,气泡作用下的颗粒运动在一定程度上影响着工业设备运行和工艺过程中的传热传质效率。可见,研究颗粒在气泡作用下的运动具有重要意义。由于气液固三相流动过程比较复杂,开展实验具有成本、周期、测量等局限性,实施
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.51666015)气体穿越固液两相液池过程气泡动力学行为及其对颗粒运动分离影响机制;
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在环境领域的气浮工艺、选矿领域的浮选过程以及在煤气化领域的煤气化炉激冷室内等,都存在着气泡穿越固液两相的三相流动过程。在该过程中存在着科学的共性问题,即颗粒在气泡作用下会发生悬浮、沉降和夹带等运动过程,气泡作用下的颗粒运动在一定程度上影响着工业设备运行和工艺过程中的传热传质效率。可见,研究颗粒在气泡作用下的运动具有重要意义。由于气液固三相流动过程比较复杂,开展实验具有成本、周期、测量等局限性,实施难度较大。而计算流体力学方法(CFD)由于成本低廉,能够对复杂的工艺进行仿真,因此受到了广泛的应用。为此,本文以气泡穿越固液两相的三相流动过程作为研究对象,采用数值模拟方法对三相流动过程中的气泡和颗粒运动进行研究,从而更加了解三相系统下颗粒运动及其分布特性,同时对促进改善工艺流程具有重要的指导意义。本文数值模拟基于计算流体力学(CFD)和离散元(DEM)方法,将气液相看做连续相,采用流体体积法(VOF)追踪气液分界面,颗粒相看做离散相。建立CFD-VOF-DEM气液固三相流动数值模型及相应的数值模拟平台,对气泡穿越固液两相液池过程展开数值模拟研究,随后对网格进行无关性验证。在此基础上,对本文所建数值模型进行了验证,将本文数值模拟结果分别与实验结果以及相关文献模拟结果进行了对比,验证结果吻合良好,从而证明了本文所建模型的准确性和合理性。首先,利用以上所建数学模型分别对单气泡作用下和双气泡作用下的气液固三相流动过程及颗粒运动规律进行了研究,然后,对单/双气泡对颗粒浓度分布影响进行对比分析。获得了10μm、50μm、100μm和500μm粒径颗粒在液池中运动分布的变化规律。研究结果发现,气泡在上升过程中气泡下端会形成向上的速度分布,从而会发生颗粒夹带现象,双气泡在上升过程中前导气泡会对尾随气泡起到携带加速作用。10μm和50μm粒径颗粒在液池中基本处于悬浮状态,100μm粒径颗粒处于缓慢沉降状态,500μm粒径颗粒则处于快速沉降状态,基本不存在颗粒夹带现象。与单气泡相比,双气泡作用下固液悬浮液与纯液的分界面下降速度更快,并且双气泡可以将颗粒夹带到更高的高度,夹带数量也更多。最后,在对单/双气泡作用研究的基础上,本文对气泡群作用下的气液固三相流动过程及颗粒运动规律开展进一步研究。获得了颗粒浓度分布等规律,分析了不同管口浸没方式、不同粒径颗粒、不同下降管管径以及入口气速等对颗粒运动规律等影响。研究结果发现,底部浸没方式下粒径越小,颗粒被夹带到的高度越高,被夹带的颗粒数量也越多;入口气速越大,气泡群对固液悬浮液的扰动作用越强。顶部浸没方式下10μm粒径颗粒进入液池后沿着管壁向上运动,500μm粒径颗粒进入液池后则直接向液池底部运动;气固两相穿越液池过程中气固分离可分为三个过程,即冲击过程,携带过程和破碎过程。
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