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气固两相穿越液池过程中气泡行为及颗粒运动特征研究

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 含尘气体经顶部浸没管口穿越液池过程简介

1.3 气固两相穿越液池过程中的多相流动

1.4 多相流流动测试方法

1.4.1 多相流动数值模拟方法

1.4.2 多相流动实验方法

1.4.3 各种多相流动测量方法综合对比

1.5 本文的主要研究工作

1.5.1 研究目的及意义

1.5.2 研究内容及结构安排

1.5.3 可行性分析及技术路线

1.5.4 本文主要创新点

2 顶部浸没平口管口气泡膨胀脱离行为特性实验研究

2.1 气泡可视化测量实验系统

2.1.1 实验系统组成

2.1.2 实验测量方法与数据提取

2.2 实验结果与分析

2.2.1 顶部浸没平口管口气泡膨胀及脱离演变过程

2.2.2 平口管管径对气泡脱离直径的影响

2.2.3 顶部浸没平口管口膨胀气泡位置随时间变化分布特性

2.2.4 平口管管径对单个气泡膨胀及脱离时间的影响

2.2.5 脱离阶段气泡圆度分布特性

2.3 本章小结

3 气液交界面运动特性可视化实验和数值模拟研究

3.1 气液交界面运动特性可视化实验研究

3.1.1 实验系统组成

3.1.2 实验测量方法及数据提取

3.1.3 实验结果与分析

3.2气液交界面运动特性数值模拟研究

3.2.1 物理模型的建立

3.2.2 数学模型的构建

3.2.3 边界条件、网格生成及离散化方法

3.2.4 模拟结果与分析

3.3 本章小结

4 气固两相穿越液池过程中液固流场特性实验研究

4.1 固体颗粒运动分离特性可视化实验研究

4.1.1 实验系统组成

4.1.2 实验结果与分析

4.2 液固流场空间结构及流动特性PIV实验研究

4.2.1 实验系统组成

4.2.2 实验方法

4.2.3 实验结果与分析

4.3 本章小结

结论与展望

参考文献

在学研究成果

致谢

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摘要

在能源、化工和环境等工业领域,广泛存在含尘气体经顶部浸没管口穿越液池的工艺过程。在水浴除尘器、激冷室气流床煤气化炉等工业设备中,高温气体夹带固体尘粒经进气管射流冲击液池,并以气泡的形式穿越液池。在该过程中,气泡对液体产生强烈扰动,固体尘粒被推挤、拖曳、卷吸而互相掺混。粗大尘粒直接沉到水底,细小尘粒有的被水捕集,有的跟随气体逃出液面,从而完成气体洗涤冷却工艺。显然,该工艺过程存在着复杂非稳态多尺度相互耦合作用的多相流动,工业设备运行的稳定性和利用的高效性与该过程中多相流动特性密切相关。该过程中的多相流问题是一个复杂的系统工程,因此,本文将着重针对该过程中气泡在管口形成膨胀及脱离行为、气体射流冲击液池冲击行为、液固流场空间结构和固体颗粒运动过程等多相流动特性开展相关研究,以揭示其内在规律,丰富大规模高效气流床煤气化技术工艺设计软件包,为气流床气化炉向大规模高效跨越奠定基础。
  本文首先从单个气泡尺度开展了顶部浸没平口管口气泡膨胀脱离行为特性可视化实验。利用高速摄像机拍摄顶部浸没管口气泡膨胀及脱离演变过程,对比分析管径、气体流量对气泡尺寸、形成时间的影响规律。研究结果发现,在气泡膨胀脱离过程中,气泡脱离时间远比气泡膨胀时间长。气泡脱离形状变化随时间增加存在分界点,分界点前,气泡主要以椭球形存在;分界点后,气泡向扁椭球体发展。管口气泡生成方式有间歇生成、含抽吸间歇生成和连续生成三种,气体流量为35 L/h时,2 mm平口管口存在抽吸现象,其最大泡龄kpmax为7.5,小于其他流量下的最大泡龄值。
  本文从宏观尺度开展了气体射流冲击液池过程气液交界面运动可视化实验和数值模拟研究。实验和数值模拟结果均揭示出在气体穿越液池过程中,气积坑经历形成、膨胀脱离和贴壁上升运动过程。研究结果发现,气积坑膨胀上升过程会抽吸少量液体,并且抽吸高度随膨胀过程的进行逐渐增加。管口中心位置气体抽吸液体的作用最强,中心位置点速度受气体流量影响较大。冲坑特征深度随气体流量增加而增大,随浸没深度增加而减小。前者对冲坑特征深度影响较大,后者则影响较小。
  基于以上气液两相流动特性的研究,本文开展气固两相穿越液池过程液固流动特性可视化实验研究。从颗粒尺度直观展示了5~15μm、80~110μm和380~530μm固体颗粒被推挤、拖曳、夹裹等微观运动过程。同时通过对图像进行可视化处理,获得了颗粒浓度分布。研究结果发现,固体颗粒明显存在直接下落、尾流拖曳、气泡夹裹掺混和气泡破裂飞溅液滴夹裹四个运动分区。采用粒子图像测速技术对液固速度场进行定量观测,获得了气固两相穿越液池过程液固两相速度全场分布,直观形象的展示了耦合作用下液固流场运动特性。

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