空气中微小固体单球非稳态动力学特性实验研究

摘要

工程应用和环境治理领域中经常涉及到纳米至微米级的固体单颗粒在气体中运动的动力学问题。但是至今为止，对于气体中微小固体颗粒在非稳态（加速度不为零）运动中的动力学特性的研究甚少。为此，本文实验研究了粒径为0.1mm-0.5mm的单体固体微球在气体中的非稳态运动的动力学行为。
　　本文首先设计微小球形颗粒风洞实验装置，利用该装置结合本文提出的一种实验方法，可将固体微球在气流中的非稳态运动过程展示在一枚镜头下。得到该颗粒在静止空气中从开始由静止状态一直运动到匀速状态的完整下落过程，得到整个过程的颗粒位移-时间和速度-时间关系的实验数据；通过对实验数据整理得出经验函数CD=f(Re)，并带入颗粒的控制方程，求得解析解。即：颗粒的位移-时间和速度-时间理论计算公式。研究发现，在非稳态过程中，该方法所得的颗粒位移和速度曲线的平均相对误差仅为1.69％和2.22%，其精度成倍优于前人的处理方法，并且规避了 Re和CD的盲目估值，反复试算过程。
　　然后，利用该实验装置，在风速0~11m/s范围内，分别对0.1-0.5mm玻璃珠、0.2-0.5mm焊锡珠进行非稳态测试实验（Re范围为4.47-368.89）；对非稳态运动过程中颗粒的附加质量力和Basset力与粘性阻力的比值进行计算；对CD-Re实验数据进行曲线拟合。研究发现，微小球体的附加质量力和 Basset力与粘性阻力的比值分别为0.25%和2.2%，因此附加质量力和Basset力可忽略不计，并且实验结果与前人经验模型保持一致。
　　最后，对微小球形颗粒在圆弧形弯道流场中非稳态运动进行了实验研究；对圆弧形旋流流道内部流场进行 CFD数值仿真，并采用准自由涡理论对圆弧形旋流流道内部流场进行数学建模；将0.2mm、0.35mm和0.5mm颗粒分别在10m/s、13m/s和16m/s入口风速的旋流场中进行非稳态运动实验，得到其径向和切向方向上的位移、速度和加速度数据；建立颗粒在自由涡旋流场中运动的数学模型，用数值求解法，将实验结果与所得理论曲线进行对比。研究发现，理论计算存在一定程度的误差，对于颗粒位移和速度，实测值比计算值偏大，弯道流场中的二次流对颗粒径向方向的运动影响非常小，可以忽略。
　　本课题属于基础实验性研究，将单个固体小球非稳态运动实验所用球体的直径由前人所做实验的0.29mm降低到0.1mm，并且对微小球体从静止开始运动直到稳定的过程进行实验观测和理论建模。所得的实验数据和经验公式对新型除尘器的研发，甚至微小颗粒气固两相流动有一定的参考价值。

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1. 绪 论

1.1 研究背景

1.3 本文研究课题的提出

1.4 本文的研究内容

2. 气体中微小球体动力学特性实验装置

2.1 引言

2.2 实验要求

2.3 微小颗粒风洞实验装置介绍

2.4 高速视觉系统

2.5 微型低速风洞流道

2.6 颗粒的投料器

2.7 风洞流道内部流场的CFD数值仿真

2.8 风洞试验段内部流场测试

2.9 投料器和相机的调试和性能测试

2.10本章小结

3. 单球颗粒非稳态运动全过程的动力学特性研究

3.1 前言

3.2 理论推导

3.3 实验过程

3.4 实验结果

3.5 分析与讨论

3.6 本章小结

4. 微小单颗粒的非稳态阻力系数测试实验研究

4.1 前言

4.2 颗粒的空气阻力系数测定实验过程

4.3 实验结果

4.4 附加质量力与Basset力分析

4.5 阻力系数与雷诺数关系分析

4.6 本章小结

5. 单颗粒经过圆弧形流道的非稳态运动实验

5.1 前言

5.2 理论基础

5.3 圆弧形流道内部流场CFD研究

5.4 颗粒在圆弧形流道的非稳态运动实验

5.5 圆弧形流道内部流场CFD模拟结果

5.6 颗粒在圆弧形流道的非稳态运动实验结果

5.7 结果处理与分析

5.8 本章小结

6. 全文总结与展望

6.1 主要内容和结论

6.2 本文工作的创新点

6.3 展望

主要符号说明

致谢

参考文献

附录1 作者博士期间以第一作者发表的学术论文

附录2 第四章中CD-Re实验数据

附录3 Basset力与附加质量力实验数据