炭黑气力输送气固两相流的模拟分析与实验研究

论文摘要

气力输送是指借助具有一定的压力和一定速度的空气或其他气体在管道内输送干燥的散状固体颗粒或粉料的一种方法。在输送过程中体现了充分利用资源、节能降耗以及减少环境污染的宗旨。因此气力输送越来越受到各行各业的关注,有着广泛的应用前景。本文综述了气力输送的发展,建立了炭黑气力输送中常用的输送管道类型如垂直管、水平管和弯管的气固两相流的流动数学模型,在此基础上运用Fluent软件求解炭黑气力输送中气固两相流的流动。此模型考虑了气固两相之间的相互作用、炭黑颗粒间碰撞作用以及炭黑颗粒与壁面间相互作用。对不同工况下的炭黑颗粒在水平管、垂直管以及弯管中输送的流动情况进行了数值模拟。首先用二维模型对炭黑气力输送中垂直管道的气固两相湍流流动进行了模拟。对引起炭黑浓度沿径向分布不均匀的原因进行了分析,对影响垂直管道炭黑气力输送的各种参数进行了系统研究,得到了气固速度分布、浓度分布规律和各种输送量下的最佳经济速度。其次,采用所建立的三维模型对炭黑气力输送中水平、弯管管道的气固两相湍流流动进行了模拟,同样也得到了不同输送条件下的气固两相速度分布、浓度分布以及最佳经济速度,在弯管的数值模拟中还重点分析了弯径比对弯管管道的影响。利用所设计的炭黑气力输送实验,将实验得出的有效数据与模拟结果进行对比分析,通过对比分析发现利用Fluent模拟简化的数学模型得出的结果与实验结果具有较好的一致性和准确性。最后对本文所做工作进行了总结,在此基础上指出其中的不足,对炭黑气力输送气固两相流的研究提出了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 气力输送的发展简史
• 1.2.1 国外的发展
• 1.2.2 国内的发展
• 1.3 气力输送综述
• 1.3.1 气力输送的装置类型
• 1.3.2 气力输送的状态类型
• 1.3.3 气力输送过程中主要的影响因素
• 1.3.4 气力输送的优缺点
• 1.4 课题的研究内容
• 2 气力输送研究方法
• 2.1 气力输送气固两相的流动特性
• 2.1.1 气力输送管道类型
• 2.1.2 垂直管、水平管和弯管中的流型
• 2.2 管道压降计算方法
• 2.2.1 压降比法
• 2.2.2 经验公式法
• 2.2.3 附加压降法
• 2.2.4 力平衡法
• 2.3 数值模拟方法
• 2.3.1 Lagrange 模型
• 2.3.2 Euler 双流体模型
• 2.3.3 二者的区别
• 2.4 气固两相的动力学模型
• 2.4.1 炭黑气力输送模型的简化
• 2.4.2 气固两相数学模型的建立
• 2.5 本章小结
• 3 炭黑气力输送实验
• 3.1 实验装置
• 3.1.1 主要输送部件
• 3.1.2 主要实验仪器
• 3.1.3 控制装置
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 炭黑堆积密度测试
• 3.2.2 炭黑平均粒径测试
• 3.2.3 炭黑输送测试步骤及实验数据
• 3.3 实验数据整理
• 4 气固两相流的数值求解
• 4.1 Fluent 软件介绍
• 4.2 用Fluent 模拟炭黑气固两相流的步骤
• 4.3 网格划分
• 4.4 求解器的选择
• 4.5 边界条件的设置
• 4.5.1 垂直管的边界条件
• 4.5.2 水平管和弯管的边界条件
• 4.6 本章小结
• 5 炭黑气力输送在垂直管道的计算结果与分析
• 5.1 气相和固相的速度分布
• 5.2 气相和固相的浓度分布
• 5.3 输送气速对固相速度的影响
• 5.4 输送气速对固相浓度的影响
• 5.5 压降和最佳经济速度
• 5.6 本章小结
• 6 炭黑气力输送在水平管道的计算结果与分析
• 6.1 气相和固相的速度分布
• 6.1.1 气相速度分布
• 6.1.2 固相速度分布
• 6.2 气相和固相的浓度分布
• 6.2.1 气相浓度分布
• 6.2.2 固相浓度分布
• 6.3 输送气速对固相速度的影响
• 6.4 输送气速对固相浓度的影响
• 6.5 输送量对固相浓度的影响
• 6.6 输送量对气固两相速度的影响
• 6.6.1 输送量对气相速度的影响
• 6.6.2 输送量对固相速度的影响
• 6.7 压降和最佳经济速度
• 6.8 本章小结
• 7 炭黑气力输送在弯管管道的计算结果与分析
• 7.1 整个管道的压力分布
• 7.2 弯径比对弯管压降的影响
• 7.3 弯径比对弯管炭黑颗粒速度的影响
• 7.4 输送气速对弯管压力降的影响
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录