水平直管道中气体-颗粒两相流实验研究

　　1　引　言

　　在气体—颗粒稀相流动过程中,当固体颗粒的体积浓度小于10-4时,固体颗粒之间的距离已经相当远,颗粒之间的相互碰撞几率很小,此时可以不考虑颗粒与颗粒之间的作用。因此稀相的气体—颗粒流动主要特点是气体与颗粒可以有不同的速度,其直接结果是两相必然发生相互作用。但是,目前对两相流动过程中气体与颗粒之间的相互作用规律仍然认识的不是很清楚。

　　最初,在研究气体—颗粒稀相流动时一般假定流体相在颗粒体积分数很小的情况下不受固体颗粒存在的影响,但是其后的实验却表明既使在颗粒体积浓度为10-4的多相流中,颗粒的尺度和浓度也会影响流体相和颗粒相的湍流结构。

　　为了研究颗粒和湍流之间的相互作用,R.N.Parthasarathy&G.M.Faeth[3]实验研究了体积浓度小于10-4,粒径分别为0.5、1.0和2.0 mm颗粒在静止的水中引起的湍流作用;M.Rashidi等则采用高速摄像仪对粒径分布为120和1 100μm的聚苯乙烯颗粒在壁面区域与液体湍流的相互作用进行了观察分析[4];采用LDV,Y.Tsuji &Y.Morikawa对水平管道中的气体颗粒两相流动进行了测量和分析[5],结果表明粒径为0.2 mm的颗粒降低了湍流强度,而粒径为3.4 mm的颗粒则增加了气体的湍流强度;L.M.Liljegren&N.S.Vlachon[6]使用PDPA(激光相位多普勒颗粒分析仪)测量了50μm玻璃微珠在水平管道中的两相流动,通过改变颗粒的体积分布,他们得出了湍流强度会随颗粒浓度的增加而增加的结论;D.Kaftory等采用可视化技术和LDA实验研究了粒径在100~900μm的聚苯乙烯颗粒在水平方向水槽的壁面湍流边界层区域中的运动情况、速度和颗粒浓度的分布[7~8],他们发现颗粒在边界层的运动特性是由临近壁面的结构控制的,而且颗粒的平均速度低于流体的速度。这些实验研究对了解两相流动问题均有一定的帮助。但是这些实验研究多是针对液体—固体两相流动的,由于液体和气体的物理性质有差别,如密度、粘性等,因而在液体—固体两相流动实验中得出的结论不一定适用于气固两相流动。另外,由于测量条件的限制,实验中选用的颗粒种类不同,且颗粒的粒径往往在毫米或是几百微米的量级,对100μm以下颗粒的气固两相流动的实验研究很少。

　　因此为了研究小于100μm的颗粒在两相流动中的运动规律及其对气相流场的影响,本实验采用PDA测量了100μm以下的颗粒在水平直通道中的时均速度、脉动速度和颗粒的粒径分布。

　　在本次实验中,详细测量分析了水平直通道中气体—颗粒两相流动时的颗粒粒径、时均速度和脉动速度。实验的目的是为了提供在低浓度条件下,100μm以下的颗粒在气体—颗粒两相流动中的运动规律及其对气相流场的影响,通过三维粒子动态分析仪(PDA)的测量识别功能,区分悬浮于空气中的颗粒粒径,对不同粒径范围的颗粒时均速度和脉动速度进行分析。