运动物体在浓相流化床中的受力.pdf

第2 9 卷第5 捐中阐矿业大学学报 v 0 1 ．2 9N O I5 2 0 0 0 年0 月 J o u r n M 讲C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 0 0 5 0 4 8 0 、0 4 运动物体在浓相流化床中的受力 韦鲁滨1 ，边炳鑫“。，陈清如s 】．中国矿业犬学化工与环境工程系，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．黑龙江科技学院，黑龙涯鸡粗15 8 1 0 5 3 串星矿业犬学能源利搿与化学工程系，在苏徐螂2 2 1 0 0 8 摘要对物体在浓相流化床中的受力情；兄进行了理论和实验研究，结果表明运动物体在漉化床 中除受到重力外t 还主要爱到拟流体静压分韦产生的浮力和流化粒予与物体相对述动产生的曳 力傩用．物体在流化床中受到的浮力基本遵守A r c h i m e d e s 厦理，等于所摊开拟流体的重力。流化 泰的漉变特灶为B i n g h a m 粘塑性流体，流化粒子作用在物体上的曳力可由修正的R e y n o l d s 数代 入牛顿曳力公式算出． 美键词运动物体；漉化廉；受力分析 中囤分类芎T D9 4 ；T Q0 2 1文献标识码A 漉态化分造、提取和洗涤等作业都涉及剃物体 在流亿床中的沉降运动，弄清物体在流化床中的受 力可从挑理上认识物体沉降行为，捱确地设计和操 作这类作业．目前，对流化床中物体受力研究大多 局限于静止物体[ 1 ～“，有关运动物体在流仡寐中受 力研究的报导不多，D a n i e Ⅳ6 3 和B i n n i e f ”通过因次 分辑分别得到了曳力系数与无嚣次准数的经验关 联式，但在关联式中都禽有多个物理意义不清的模 型参数，连用范捆受到徭大限铺．本文对运动物体 在流化床中的受力进行了全面分析和实验研究，用 B i n g h a m 粘塑性流体描述浓相气固流化床的流交 特性，得到了物理意义明确的曳力计算公式， 1 物体受力分板 由于物体的尺寸远大于漉让颗粒尺寸，Ⅺ憋漉 亿床看作拟流体，静将流仡粒子和气体肴作两种 不同的连续介质 在没有电场力和磁场力的作用 下，物体在流讫床中除受到疆力矫，还将受蓟拟流 体静压分布产生的浮力如，气体与物体棚对运动 产生的燕力f 0 ，流亿粒子与物体相对运动的产生 的曳力凡．物体在床层中受的总附加力为 F F h 十％ R ． 1 1 。1 浮力 对于拟流体静压分布产生的浮力n ，由拟流 体的静压公式 J ‘ 一笔一P o g 一[ n 1 ～￡ 十p , e ] g 2 可得 F b 号d ] t 钆g ， 3 o 式 2 ， 3 中P 为席层压力，P a ；z 为康层轴向坐 标，m ；A ，岛， 分别为床屡、流化粒子和气体密度， k g ／m 8 ；￡为床层空隙率；g 为重力加速度，m ／s 2 ；成 为物体矗径，m ． 式 3 表明物体在流化底中受到的浮力遵守 A r c h i m e d e s 擐理，等于所摊开拟流体的灌力，攒流 体的密度等于床层的表观密度岛。这一续论也已被 实验结果所证实o ] ．僵在祠用式 3 计算浮力时，茹 须注意以。F 几点物体直径与颗越宴较_ 之比至少要 太子3 c “，静；盛／4 3 ；当物体上部为钝形且完全 浸人流化床中时，其上部可能形成流化“死区”；当 物体沉在床旖对，其下部为纯气褶，此时，物体受到 的浮力比理论预测的要小；当气泡经过物体对，气 泡将改交其周围损流体的匿力分布，气泡接近物体 时，物体受到的浮力增大，气泡脱枣馋体对，浮力减 小“j ．物体在实际流化床中受到的浮力与在真实流 体中蝰森羡异，基本穹譬舍A r c h i m e d e s 愿理． 牧稿甜瓣一1 9 9 9 0 8 2 5 基盘顼舀国家九五煎点科技破黄项目 9 5 2 1 50 3 榷謇黼舟．南●l 瘟nq R ’，、．茧．”菰省柘辅市 。审目矿曲士 生鞠I 新格．“ 1 - 堂憧 f 憧4 - 詹、．H 直半辩磕植} { * 甜 万方数据 筹甥 书鲁菇等；运动褥俸在滚撩漉诧瘴串辩受力档l 1 ．2 曳力 气体与狻{ 奉鞠辩运动产生鲍曳力F 0 与镪体重 力榛比缀小“] ，可以忽赡。滚化糙子与物体拶对运 动产生的曳力F d 可按流体力学曳力～般表达式写 作 玛一 ■7 r d 。／2 o 风谚／2 ， 4 式中；c 。为巍力系数；‰为球体与燕纯粒子闼的棚 对速度∥ ％v p 其中％胁分别为物体和颗粒 流的速度 ，m ／s ． 首先考察物体速壤％一0 的情形．即便是静丘 物体，壶乎漉诧寐中存在羲漉他粒予垂劈懿遮魂， 运动颗粒与物体表霪的撞击和摩擦也将产生曳力． 物体表面上颗粒运动引起的法向应力称为颗粒相 压力．对籁粒褶压力研究发现，在初婚流亿状态下 猴黢相蘧力强夸，然磊隧气遮秀离瓣急澍璞 大口“] ．程充分流化状态下。各研究者的结沦有所 不同．P o l a s h e n s k i 在静床高为0 ．3 6m ，距气体分布 板0 ．2r f l 送行的测量结果表明，当气速稍大子蘸 始鼓灌蘧瘴矮，法淘疲力苓秀臻气建瑟蜜纯，遥毅 为常数．C a m p b e l l 簿的实验结暴表嬲，随着气速的 增加，颗粒流法向应力还将随之增加而非常数，他 们认为这是颗粒碰撞冲击额率糟加造成的．张辉等 在臻径4 0m l n ，较高气遴I v 浚纯数鸯2 ．6 1 豹变 验终果表明，颗粒横肉靼向下的法瑚应力很小，可 以忽略．这与P o l a s h e n s k i 的结粜有所不同，按P o l a s h e n s k i 的测量方法测得的正麓横向法向应力，键 与强辉等测褥静内土法离斑力势无豢级缒差辫。对 蹶煅向上法嬲应力，张辉等垂皇缕果表明，向上的法 向腕力在初始流化高度以下沿床商近似线性递增， 在初始流化高度达到簸大德，然后沿着臻高逐步递 减为零． 上述珊究结皋可盎式 4 及漉他粒予运动褥到 统一的解释．起始流化状态下，颗粒只农原地作微 小振动m o ，从而。。≈o ．此时，nW 以忽略．当气 速戆出越始潦纯气速一定壤靖，鬏粒瀛麴运动速璇 不辩能忽略，即使在耀戢溅他爨中，摄然颡数总憋 质擞通葳为零，但床中颗粒并非象气体分子那样只 作耱向同性的布朗运动，颗粒速度沿物体表面分布 静不对称将使魏俸受力．影响鬏粒溅运韵的奎要疆 素鸯颗粒物燃、溅他凑塞径比等几键性骏以及操嚣 气速等，上述备研究结果的差异正悬由予实验条{ 牛 不嗣所黧．侧如，张辉簿的结果是在床鼷轴心处测 得的，按照冀实验条件，轴心处疲位于粒子上升流 孛雠，嚣鼗，颗越横囱搬淘⋯F 懿法翔应力缀，l 、} 戴 外。粒子的上升速度毅初始流化高度达到最大，法 向应力自然也在此处达蓟最太． 以下讨论物体逮囊％≠o 瓣馕嚣．运动物体在 漉化废书曳力研突约掇导不多，D a n i e l s r s l 在接近秘 始流化状态下，对惫属球在漉化床中以定常速艟下 落时所受的曳力进行了泐量，建立了毙力系数与粒 爱眈、R e y n o l d s 数稀F r o u d e 数之闯荧联式．B i n h i e I 73 分掇了D a n i e l s 豹实验络暴。对照D a v i d s o n 静 气泡E 升模裂。认为流化床可看作表两张力为箨的 q } 粘性流体。与弹性可压缩流体相似，由因次分析 得到曳力系数与C a u e h y 数的荚联式．D a n i e l s 和 B i n n i e 懿奖驳式熬舍露多拿妨纛意义不溃的攘型 参数，适用范翻受到限制． 2 曳力计黧 要歌褥凌疆意义渣壤、适瑶藏嚣广泛豹曳力公 式，必须援确她建立展现漉化康漉变性质的本掏方 程．现有研究结果表明浓相流化廉具有明龌的非牛 顿流体特征““”] ，～般可嗣B i n g h a m 粘麴性模型 籀述，对稳逮运葫球体在B i n g h a m 流体审静巍力 系数c j ，遘嚣戆臻法燕媸耀牛顿渡体鲍曳力系数 公式，而对公式中的R e y n o l d s 数加以修孤． 蔡树棠n ”按S t o k e s 解的流速分布，得到了低 R e y n o l d s 数下球体在B i n g h a m 流俸审静耩受巍力 舞 凡蹴3 似Z 。口。十g d r o ， 5 式中∥为塑性粘度，N s ／m 2 ；r o 为屈服应力 P a ． 式 5 中右边第1 顼为牛顿流体的S t o k e s 曳 力公式，笔2 壤袋寝了惩辍瘟力豹舔蠢．箕提疲鹳 曳力系数为 岛一菇2 4 l 瑟{ R e 警 6 对照S t o k e s 曳力公式，趣应豹修委R e y n o l d s 数 冠‰为 ～纸一葶鬻蕊． ∽ 上述维募与徐臻投m 3 及V a l e n t i k ⋯3 等的结晨 类似．对于相应的牛顿流体曳力系数公式，由于我 们实验中的修正R e y n o l d s 数范围均小于1 0 0 ．因 就，莱丽S c h i l l e r 和N a u m a n n ＆秘妁曳力系数美联式 C D 一‘者羔 1 十0 ．1 5 R e 。“” ． 8 3 曳力实骏 采耀磁性粒予承豌球瓣撬黪进褥了曳力测量． 测量原理如下；由式 1 ， 3 和式 4 得到示踪球在 万方数据 4 8 2 中国矿业大学学摄 第2 9 卷 漉化床中的运动方程为 詈碟 g 一詈d A g ～c D ” d 。1 2 2 风口；／2 一罢＆面d v 0 0 ． 9 U Z 当气速接近起始漉化速度时。锦m o ，因此“ O r 。‰，当 示踪球速度‰达到终靖末速“时，惯性项d v o ／d t 一0 。从薅囊 C o 丝警掣． 1 0 0 1 4 V ‘ 式 i 0 右边各参数中，示踪球的宣径吐，由游 标卡尺测量，其质量用壤密电子天平称攘，密度纯 出质量和盎径算得．其沉降实验采用的瀛化床为内 径4 6m m 的有机玻璃圆管，床层密度岛通过测量 床层捱差获得．沿流亿床床高设置5 个等问距的电 感线圈，两I 瞻近线躁阗隔4 0m m ，最下瑟韵第5 个 线圈距气体分布板5 0m m ．流化粒子选用了密度 2 ，6 5g ／c m 3 ，粒度o ．1 ～o ．0 7 6m m 石英砂，初始流 纯气速1 ．3 4c m ／s ，流化床的床层密度为 1 ．0 7g ／c m 3 检测器出绕在流化靡上的电感线阐、 激励信号源及放大电路组成，线圈调予{ 翳振状态． 泷降实验时，先遥入空气餐床层流化，然后将单个 磁往示踪球放人流化床中心，当示黥球通过线圈时 引起线圈电感和品质因数变纯，线胬输瀣电压变 化，经放大后由计算机采样势显示．示踪球到达线 圈的时刻对应予该线圈静电盛峰值，由线圈间距和 磁性颗戡穿越线圈的时阅可算墨譬零踪球在薅线豳 闷撬降的平均速度n ．表1 为示踪球的物性及曳力 裹1 收体静性参数艇曳力蔫量壤果 T a b l e1T h ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa n d d r a gf o r e e ㈣t h eo b j e c t s 序号 舟／ 以／l n m 孙， 强㈧一1 e h n l q 17 8 309 ．5 27 8 ．0 0I ．3 3 27 8 107 ．9 46 7 ．0 01 ．4 6 32 6 001 2 ．8 13 8 ．0 0l6 6 42 5 501 2 ．5 00 4 ．O O1 ．9 5 5 7 7 60S ，5 0 ．0 01 ．9 6 82 4 30 1 1 。4 3 2 9 ．0 0 2 ．2 6 77 8 10S ．髓4 2 ．∞2 ．3 3 82 4 301 0 ．0 02 4 ．0 02 ．8 92 3 509 。0 42 乳7 53 ．2 8 1 02 3 409 ．0 41 9 ，7 53 ．5 9 1 l2 5 107 ．0 81 5 ．7 5S ．0 2 1 21 7 50 1 0 ．1 81 2 ．7 5 S ．2 0 1 31 7 001 0 1 9 71 1 ．6 56 ．2 2 1 41 f i 601 0 ．0 B9 ．4 58 ．1 8 1 5i 6 409 ．6 78 ．9 58 ．4 0 1 61 5 501 0 ．0 88 ．1 58 ．9 0 1 71 5 809 ．3 88 ．0 59 ．0 1 1 81 6 709 ．1 l7 ．9 S1 0 ．S 6 1 91 5 808 8 9 S ．2 5 1 4 ．1 7 2 0 ’1 5 209 ．3 4S ．7 51 5 ．5 2 2 1 1 5 808 ．1 8S ，5 51 6 ．5 4 丝S 懿Q墨墼圣韭2 垒2 ≥ 测量结果．其中，序号N O ．9 ～N o ．2 2 的沉降速度是 经过澧除了流化粒子运动影响羼的较正结果[ 1 “． 本文作者用落球法对流化床的表观粘度进行 了测摄，表2 列出的是塑性粘嶷和届耀应力值．对 予给定粒径和运动速度的球体，可由表2 确定的流 化庆的甥性糙发稠屈服应力按式 7 ， 8 { 十算其在 流化珠中稳定运动时所受曳力．图I 为曳力系数实 验鳆与计算值的比较．从圈1 中可以看如，曳力系 数计算值和实验值吻合很好． 裹2 漉化床的望性牲廑翱熙雕痰力 F a M e2T h ev a l u e so ft h e 舛a s t i c V I 辩惦l 妊a n dy i e l d 娃啤强o ff l u i d t z e db e d * 由D a n l e l s 实验数据褥列。 l | ；一 ，l。∑∑ 熙1 曳力系数实验值与计算德的毙较 F i g ．1C o m p a r i s o no fc a l c u l a t e dv a l u e s w i t he x p e r i m e n t a lo n e s 4 结论 1 物体在流化床中受到的浮力有条件地遵守 A r c h i m e d e s 原理，等于所排开拟流体韵重力，拟流 体的密度等于床层的袭观密度l D b ．与物体受到的实 际浮力棚比，剥用式 3 计算的浮力可能会踊物体 足寸、形杭、位置以及床中气泡的扰动而有所差异． 2 颗粒榴垂力特性霹由式 4 及流化粒子运 动褥弼统一的解释．浓栩气周流化床的流变特性为 B i n g h a m 粘骥性流体，漉化粒予怍用在韵体上的巍 力可由修正的R e y n o l d s 数代人牛顿曳力公式算 如。修正R e y n o M s 数为 R e 一t t 型v 拯c l ＆o ／3 v , 万方数据 第5 期 韦鲁滨等运动物体在浓相流化床中的受力 参考文献 N g u y e nTH - G r a c eJR ．F o r c e so no b j e c t si m m e r s e d i nf l u i d i z e db e d s [ J ] ．P o w d e rT e e h n o l ，1 9 7 8 ，I9 2 5 5 2 6 4 ． R o c h eG ．C h a v a r i eC ．B e h a v i o ro fs h a I l o wf l u i d i z e d b e d sa r o u n di m m e r s e du b j e e t s [ J ] ．T h eC a n a d i a n J o u r n a lo fC h e mE n g ，I9 7 8 ，5 6 2 8 12 8 5 ． P o l a s h e n s k iW ，J o h nJ ， ；h e nC ．N o r m a ls o l i ds t r e N N i nf l u i d i z e db e d s [ J ] ．P o w d e rT e c h n o l ，1 9 9 7 ．9 0 I3 2 3 ． C a m p b e l lCS ，W a n gDG ．P a r t i c l ep r e s s u r ei ng a s f l u i d i z e db e d s [ J ] ．JF l u i dM e c h ．1 9 9 1 ．2 2 7 4 9 55 9 8 ． 张辉，石炎福．余华瑞．气同流化床中悬浮物体 的受力分析[ J ] ，成都科技大学学报．1 9 9 5 I 121 7 ． D a n i e l sTC ．M e a s u r e m e n to ft h ed r a go ns p h e r e s m o v i n gt h r o u g hg a s e o u sf l u i d i z e db e d [ J ] ．JM e c h E n gS c i ．1 9 6 2 ，4 1 0 3 1 1 0 ． B i n n i eAM ．T h ed i m e n s i o n a la n a l y s i so fd r a ge x p e r i m e n t si naf l u i d i z e db e d [ J ] ．T r a n sI n s tC h e mE n g ． 1 9 6 3 ．4 1 2 3 1 2 3 3 ， J e a nRH ．F a nI ，S ．O nt h em o d e le q u a t i o n so f G i b i l a r oa n dF o s e o l ow i t hc o r r e c t e db u o y a n c yf o r c e [ J ] ． P o w d e rT e c h n 0 1 ．1 9 9 2 ，7 2 2 0 2 2 0 5 ． 4 8 3 [ 9 3 1 ．i nJS ，C h e nMM ． ha BT ．An o v e lr a d i o a c t i v e p a r t i c l etr a c k i n gf a c i l i t yf o rm e a s u r e m e n to fs o l i d sm n t i o ni ng a sf l u i d i z e db e d s [ J ] A I C h EJ ，1 9 8 5 ．3 1 4 6 5 4 7 3 ． [ 1 0 ] A n j a n e y u l uP ．K h a k h a rDV ．R h e o l o g yo f3g a sf l u i d i z e db e d [ J ] ．P o w d e rT e c h n 0 1 ．19 9 5 ．8 3 2 93 4 [ 1I ] V a nd e nL a n g e n b e r g S c h e n k ；，R i e l e m aK ．T h e r h e o l o g y o f h o m o g e n e o u s l yg a s ，f l u i d i z e d s o l i d s - s t u d i e di nav e r t i c a ls t a n d p i p e [ J J ．P o w d e rT c c h n n l ． 1 9 8 4 ．3 8 2 3 3 2 ． [ t 2 ] 蔡树棠．泥浆的力学性质和砂粒在泥浆中运动时所 受的阻力[ J ] ．应用数学和力学．I9 8 1 ．2 2 6 72 7 0 ． [ 13 ] 徐明权，吴德一．球体在宾汉浆体中沉降特性分析 [ J ] ．水利学报，19 8 3 1 I 2 93 5 ． [ 1 4 ] V a l e n t i kI ，，W h i t m o r eRI 。．T h et e r m i n a lv e l o c i t yo f s p h e r e si nB i n h a mp l a s t i c s [ J ] ．B r iJA p p lP h y s ． 1 9 6 5 ．1 6 1 1 9 7I2 0 3 ． [ 1 5 ] S c h i l l e rI ．，N a u a l a n nAZ ．n k rd i eg r u n d l e g c n d e n H e r e c h n u n g e nb e id e rS c h w e r k r a f t a u f b e r e i t i n g [ J ] ．z V e rD c u tI n g ，1 9 3 3 ，7 7 3 1 8 - 3 2 0 ． [ 1 8 3扣鲁滨．流化眯干法分选及物料分级行为研究[ D ] ． 中南工业大学．1 9 9 8 ．2 22 3 ． [ 1 7 ] 韦鲁滨 陈清如．赵跃民，用落球法测量悬浮体表 观粘度[ J 2 ．化工冶金，2 0 0 0 ，2 1 1 8 7 1 9 0 ． F o r c e so na nO b j e c tM o v i n gi nD e n s eF l u i d i z e dB e d W E IL u b i n l ，B I A NB i n g x i n l ～．C H E NQ i n g r u 3 1 ．D e p a r t m e n to fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．H e i l o n g J i a n gI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，J i x i ．H e i l o n g j i a n g1 5 8 1 0 5 一C h i n a { 3 ．D e p a r t m e n to fE n e r g yU t i l i z a t i o na n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ．C h i n a A b s t r a c t T h ef o r c e so na no b j e c tm o v i n gi nd e n s ef l u i d i z e db e d sw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y ．T h er e s u l ts h o w st h a tb e s i d e st h eg r a v i t y ，t h em a j o rf o r c e so nt h eo b j e c ta r et h ee f f i c i e n tb u o y a n c yd u et o h y d r o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ed r a gf o r m e db yt h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h eo b j e c ta n dt h ef l u i d i z e dp a r t i c l e s ．T h eb u o y a n c yo fa no b j e c ti nf l u i d i z e db e di sb a s i c a l l yg o v e r n e db yt h eA r c h i m e d e s ’p r i n c i - p i e ．T h er h e o l o g i e a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u i d i z e db e dc a nb ed e s c r i b e db yB i n g h a mf l u i dm o d e l ．T h ed r a g c o e f f i c i e n tc a nb ec a l c u l a t e db ym o d i f y i n gt h eR e y n o l d sn u m b e ro fd r a gf o r m u l af o rN e w t o n i a nf l u i d s ． K e yw o r d s m o v i n go b j e c t ；f l u i d i z e db e d ；f o r c ea n a l y s i s 叫 嘲 嘲 嘲 嘲 Ⅲ 啪 啪 万方数据