固液两相流中固体颗粒的垂直分选模型

在单个固相颗粒运动方程的基础上，进一步考虑了多颗粒条件下的颗粒之间的相互作用，并通过对液体流动特性的简化考虑，建立了固体颗粒在水流中运动的垂直分选模型。本文提出的颗粒分选模型建立在细致分析两相流运动过程中颗粒受力特点的基础上，有助于对两相流运动和沉积的各个子过程进行深入的了解，可以模拟各种颗粒在固液两相流中的运动过程和最终状态，经过统计平均得出固相颗粒的运动和分选规律。     

固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响

在不同颗粒浓度条件下，通过考虑颗粒之间的相互作用，对固液两相流中的颗粒受力进行了分析。采用拉格朗日方法对颗粒在一维两相流中垂向运动过程进行了模拟。根据两相流中颗粒分选达到准稳定状态时的分选特征，探讨了作用于颗粒的各种力对颗粒的各种力对颗粒运动和分选结构的影响。推导出颗粒受力与颗粒分选机理之间的关系。     

高含水率疏浚泥沙堆场的颗粒分选特性研究

疏浚泥吹填时的水力分选,导致堆场疏浚泥土性分区,影响堆场存储能力评估和疏浚泥脱水工艺选择。基于不平衡输沙理论,将连续方程、悬移质级配等离散求解,构建疏浚泥分选模型,分析底泥物质组成、初始含水率和吹填速率对分选的影响。结果表明:底泥物质组成对分选起主导作用,初始含水率和吹填速率对分选具有显著影响。底泥细颗粒含量高、不均匀系数大时,分选系数大,颗粒分选显著,偏离系数沿程增大,堆场疏浚泥颗粒组成与底泥差异增大。偏离系数的沿程分布特性受控于底泥物质组成。初始含水率越高,分选系数越大,偏离系数越小。吹填速率越大,分选系数和偏离系数越大。堆场疏浚泥分选规律与土性分布的相关性较好,可有效预测堆场疏浚泥土性分布。     

垂直管固体物料水力输送浓度的研究

在前人实验研究的基础上,通过实验与理论分析,研究了垂直管水力提升中的固体颗粒浓度特征。在分析颗粒受力及颗粒运动规律的基础上,利用扩散方程推导了垂直管水力提升颗粒浓度分布的计算公式,并通过实验进行了初步验证。另外,通过实验分析了颗粒群体滑移速度与提升速度的关系,纠正了颗粒群的滑移速度为颗粒群的沉速,输送浓度一定小于当地浓度的认识,认为输送浓度、当地浓度与提升速度有关。     

多组分流元模型在稀性泥石流堆积分选特征研究中的应用

基于结构两相流模型和PIC数值计算方法，本文探讨了稀性泥石流堆积过程中的泥沙分选特征。文中的模型可以模拟阵性泥沙流的非稳定特性，通过将传统的Euler和Lagrangian方法结合泥沙流运动的整个过程都能够采用多组分流元模型进行很好的描述。该模型也能够合理描述泥沙分选过程中伴随的冲淤过程。文中采用2～5°的坡度，固相颗粒被分为三组粒径不同的组分。研究表明，泥石流的垂向和横向分选都不明显，但是纵向分严为明显。河槽坡度和泥石流的密度是影响泥石流分选过程的两个关键因素。泥沙输移能力越大，颗粒分选越不明显，对泥石流分选特性的定量预测有助于深入了解泥石流的沉积机理和泥石流灾害的防治。     

堆场疏浚泥颗粒分选特性初步量化方法

为了准确评估堆场存储能力和合理选择疏浚泥处理工艺,以泥沙运动学为理论基础,将疏浚泥颗粒分为d0.005 mm、0.005 mm≤d≤0.01 mm和d0.01 mm 3个粒组,分析了各粒组相对含量的沿程变化规律,明确了堆场疏浚泥分选的主要原因是d0.01 mm粒组与0.005 mm≤d≤0.01 mm粒组的相对运动;以分选系数量化堆场疏浚泥分选的显著程度,以偏离系数量化原泥颗粒组成对堆场疏浚泥分选的影响,分析了分选系数、偏离系数分布与堆场疏浚泥土性分布的关系,提出了堆场疏浚泥分选特性的初步量化方法。研究结果表明:随着离吹填口距离的增大,分选系数沿程减小,呈幂函数分布,堆场疏浚泥分选性沿程减弱,吹填口附近分选系数最大,颗粒分选显著,粒度差异大,退水口附近分选系数趋近于零,分选不明显,颗粒分布均匀;偏离系数沿程先减小后增大,呈勺形分布,反映堆场前、后段疏浚泥土性与原泥相差较大,而堆场中段疏浚泥土性与原泥接近;分选系数、偏离系数的沿程分布与堆场疏浚泥土性分区具有良好的相关性。     

粗颗粒高浓度流体管道流动浓度分布研究

通过分析浆体中粗颗粒固体粒子垂直于流动方向上力的平衡关系,给出了粗颗粒浆体浓度分布模型。在分析相关研究成果的基础上,给出了模型中固体颗粒扩散系数的计算方法。通过三种粗砂颗粒高浓度管道流动试验,测定水平管道和倾斜管道不同条件下若干组浓度分布的一些试验数据。采用提出的模型,预测了粗颗粒高浓度分布值,并对浓度分布的实测值和计算结果进行了对比分析,给出了偏差的原因。     

颗粒浓度及颗粒尺寸对管内气固两相流动速度结构的影响

本文应用ＬＤＶ技术对方管内网栅后的气固两相流动，在平均粒么Ｄｐ＝０．３５ｍｍ，颗粒质量浓度为０．１２％，０．２１％，０．３３５％；Ｄｐ＝０．６ｍｍ，颗粒质量质量浓度为０．１６％，０．２４５％，０．３４５％；Ｄｐ＝０．９ｍｍ，颗粒质量浓度为０．２０５％，０．３０％多种工况下进行测量，给出了各种工况下气流时均速度及颗粒时均速度的分布情况。通过与纯气流条件下的实验结果比较分析了颗粒浓度及颗粒尺寸对管内气     

多组分流元模型在烯性泥石流堆积分选特征研究中的应用

基于结构两相流模型和PIC数值计算方法，本文探讨了稀性泥石流堆积过程中的泥沙分选特征.文中的模型可以模拟阵性泥沙流的非稳定特性，通过将传统的Euler和Lagrangian方法结合泥沙流运动的整个过程都能够采用多组分流元模型进行很好的描述.该模型也能够合理描述泥沙分选过程中伴随的冲淤过程.文中采用2～5°的坡度，固相颗粒被分为三组粒径不同的组分.研究表明，泥石流的垂向和横向分选都不明显，但是纵向分选较为明显.河槽坡度和泥石流的密度是影响泥石流分选过程的两个关键因素.泥沙输移能力越大，颗粒分选越不明显，对泥石流分选特性的定量预测有助于深入了解泥石流的沉积机理和泥石流灾害的防治.     

高浓度固液两相流的运动特性研究

利用固体颗粒运动的动理论，通过改变颗粒浓度可以考察非粘性颗粒在水流中运动的典型微观和宏观运动特性。本文分别对微观的颗粒速度分布函数变化和由此衍生的诸如颗粒平均速度、颗粒脉动速度和单位体积颗粒数垂线分布等宏观变量的变化进了系统比较。研究结果表明：动理论能够比传统理论获得理详细的微观和宏观信息，也更适合研究高浓度固液两相流运动特性，颗粒运动微观和宏观特性在颗粒浓度超过一定阈值后会发生本质的变化，但临界颗粒浓度值（阈值）在不同的计算和实验条件下会有一定的差别。     

冲动式透平平面叶栅内气－固两相流动的试验研究

本文利用高速摄影和图象处理技术真实地再现了平均粒径ｄｐ＝７００μｍ的固体位子流经冲动式透平平面叶栅的瞬间过程，分析了粒子在叶栅内的运动轨迹及其在叶栅内的浓度和速度分布特性。文中还对沿叶栅表面分布的纯气流压力和气相压力进行了测量。结果表明：粒子的尺寸和初始位置对粒子在叶栅内的运动轨迹有很大影响；在粒子与叶片碰撞比较频繁的部位附近，粒子相互聚集，形成粒子聚集区，在此区域内，粒子的浓度比较高，粒子的速度更为复杂；在粒子聚集区附近，气相压力相对纯气流压力的变化值比较大。     

基于固液两相流模型的泥石流流速垂向分布研究

泥石流流速的垂向分布是泥石流运动理论中的核心问题之一。以固液两相流模型为基础,分析了泥石流中两相速度相等与不等条件下的本构关系和泥石流流速垂向分布的计算方法;在二维恒定均匀流的条件下,考虑两相之间的相互作用,推导层流和紊流流态下泥石流中液相和固相速度的垂向分布公式,并采用不饱和水石流的试验数据进行了验证。结果表明:泥石流两相之间的速度差异是描述两相之间相互作用的根本所在;泥石流固相浓度与本构关系中的模化参数均有关联,是流速垂向分布计算中的重要参量;基于两相流模型的泥石流流速垂向分布公式比现有公式更具普遍意义,且其计算结果能与试验数据较好吻合。     

分流叶片对离心泵内部固液两相流的影响

为了研究分流叶片对离心泵内部固液两相流的影响,建立固液两相流模型,对无分流叶片离心泵和3种带分流叶片的离心泵进行全流道非定常数值模拟。重点分析了添加分流叶片对离心泵外特性、叶片表面压力脉动、叶片表面颗粒体积分数分布、叶片表面颗粒滑移速度的影响。分析结果表明:添加分流叶片以后,离心泵的扬程和效率均有显著的提高,叶片表面的颗粒分布更加均匀,叶片表面颗粒的滑移速度有不同程度的下降,使颗粒对叶片表面的磨损程度得以降低;当分流叶片的进口直径为0.65D2时,叶片出水边处的压力脉动幅值最小,减小了离心泵在运行过程中的振动和噪声。     

两种叶型离心泵内固液两相流场的对比

为了研究分流短叶片离心泵内固液两相流场的运动规律,应用Fluent软件分别对分流短叶片离心泵和原型离心泵进行固液两相流场的数值模拟,在多重参考系坐标下,采用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行求解,得到两种不同叶型离心泵内固相浓度、速度等参数的分布和变化规律,并对其结果进行比较和分析。模拟结果表明:在输送相同初始固相体积浓度时,分流短叶片离心泵内固相浓度分布均匀性明显高于原型离心泵;对于分流短叶片离心泵,流道内固相颗粒浓度分布均匀性随着初始固相体积浓度的增大而减小;分流叶片离心泵内速度等值线基本与叶型平行,减小了流动损失。采用分流短叶片,对于改善离心泵内流动状态,减小流场脉动,降低冲击损失和叶片磨损具有重要意义。所得结论对于指导实际应用以及为分流短叶片固液两相流离心泵的设计提供参考依据。     

明渠挟沙水流的两相流模式

本文从两相流基本方程出发对明渠挟水流含沙量、流速垂线分布及近底层平均流动特性进行了理论研究，建立了一个新的泥沙扩散方程，并用大量资料进行了验证。结果表明：现有含沙量公式和流速垂线分布公式只是本文理论模式在低含沙量条件下的简化形式。当含沙量增加时，固相泥沙对流动结构的影响亦趋显著而不可忽略。精确模拟水沙流动，需要发展高级的两相湍流模式。     

Experimental Research of Flow Structure in A Gas-Solid Circulating Fluidized Bed Riser by PIV

Particle Imaging Velocimetry (PIV) techniques were applied to investigate the particle motion and cluster properties in a gas-solid two-phase flow in a circulating fluidized bed riser. Visual images and micro-structure of various clusters were captured. After the boundary of clusters was determined by the gray level threshold method, clusters were classified by the distance between particles and the shape and position of clusters. In addition, the process of clusters forming and breaking up was described, and the sizes of clusters were also obtained. With the Minimum Quadric Difference (MQD) cross-correlation algorithm suitable for high-density particles, the axial velocities of the particles were obtained in the dilute phase section. The features of particle motion were revealed by investigating statistically the magnitude and distribution of particle axial velocity in the radial direction. At most radial cross-sections, there exists a parabola-shaped distribution of upward axial velocity of particles, namely, the magnitude of axial velocity in the core region is higher than that near the wall region of the riser.     

离心力分离液固两相流

本文对旋流器中流体的运动微分方程、流线方程、速度分布、压力分布、能量损失进行了分析。重点是阐述了水力旋流器分离液固两相流颗粒运动状况,研究了不同流态下的颗粒相对运动速度,可除去的最小颗粒粒径以及除砂(泥渣)率的估算方法。     

A SECOND-ORDER MOMENT TURBULENCE MODEL FOR POWER LAW FLUID WITH PARTICLES

The USM-θ model of power law fluid for dense two-phase turbulent flow was developed, which combines the unified second-order moment model for two-phase turbulence with the particle kinetic theory for the inter-particle collision. This model was used to simulate the turbulent flow of power law fluid single-phase in pipe. It is shown that the USM ? θ model has better prediction result than the k f ? ε f?kp?εp?θ model. The USM ? θ model was then used to simulate the dense two-phase turbulent up flow of power law fluid with particles. With the increase of the flow exponent, the velocities of power law fluid and particles increase near the pipe centre. Comparison between the two-phase flow of power law fluid-particle and of liquid-particle indicates that the axial fluctuation velocity of fluid phase and particle phase in liquid-particle two-phase flow is smaller than that in the power law fluid two-phase flow, but the two-phase velocities of power law fluid-particle and liquid-particle are close to each other.     

图像处理技术及其在泥沙运动研究中的应用

总结了在悬移质泥沙运动特性试验研究中常用的量测手段，介绍了图像处理技术的基本原理和系统的组成，针对图像处理中的几个具体问题，特别是光片厚度和粒子浓度的选择，结合实践经验进行了讨论．利用开发的颗粒示踪与图像处理系统，对明槽悬移质颗粒的运动特性进行了量测．实践表明，图像处理技术为悬移质颗粒运动特性的研究提供了有力的手段．