自由下落颗粒流扩散及产尘特性研究*

摘要

在冶金、医药、水泥、化工、食品等行业存在散装物料转运、输送、装料、卸料等过程。通常情况物料均是借助重力作用自由下落到受料口或者输送皮带上。伴随这些过程产生的粉尘是工业建筑环境最重要的污染物之一。由于现在越来越多的生产过程从室外向室内转移，在建筑围合空间中粉尘会不断累积，导致整个建筑室内的总体污染加剧，极度影响生产安全及工人的身心健康。粉尘污染尤其对近距离接触散装物料的工人危害极大。在现有的通风技术和方法的基础上，实际运行的系统依然存在不能高效解决粉尘污染的问题。掌握物料下落过程中颗粒流迁移特性是解决粉尘合理与高效控制问题的关键因素之一。因此，本文在探讨了产尘机理的基础上，通过高速摄像仪得到的颗粒流下落过程及冲击下垫面后的流动扩散特性以及含尘气流的迁移规律，对颗粒流产尘特性进行了深入研究，该研究结果对于实现高效控制粉尘及精细化设计具有重要的现实意义。
　　为了研究不同物料下落颗粒流动状态的差异，选取氧化铝、氟化铝、二氧化硅及玻璃微珠四种工业生产中常用的代表性物料的相关物性参数进行分析。氧化铝与氟化铝平均粒径分别为56.02μm和61.32μm，二者的球形度?大约为0.83~0.96；1＃二氧化硅平均粒径为312.5μm，2＃二氧化硅平均粒径是133μm，二氧化硅的球形度?大约为0.543~0.691；1＃及2＃玻璃微珠物料平均粒径是303.7μm和127.7μm，3＃玻璃微珠平均粒径为81.84μm，玻璃微珠的球形度为1。氧化铝与氟化铝的平均粒径相当，1＃二氧化硅与1＃玻璃微珠的粒径相当，2＃二氧化硅与2＃玻璃微珠的粒径相当。
　　通过高速摄像仪对颗粒流轴向和径向流动规律进行研究。根据颗粒流的流动受力及流动状态的差异，对自由下落颗粒流沿轴向依次出现的三个流段进行了定性分析并做了定量描述。根据颗粒流径向分布的差异，得到了颗粒流的扩散直径、边界层半宽度和无量纲核心直径随下落高度更加合理的变化规律，前二者均遵循sigmoidal分布中的boltzmann模型；后者呈幂函数规律变化。
　　阐明了颗粒流断面轴向速度呈高斯分布，且具有自相似性。而颗粒流轴心速度随着流段不同其变化规律也不同：从稳定段进入过渡段颗粒流的轴心速度逐渐增大且基本等于真空中颗粒流的流动速度；处于扩散段时轴心速度随着高度增加而逐渐降低并且逐渐接近最终沉降速度，介于二者之间时颗粒流轴心速度先增后减。颗粒流断面径向速度基本呈线性分布。
　　之后，根据颗粒流在壁面的流动状态的差异，将下落高度较低时颗粒流冲击下垫面后的运动分为三个过程：首个“环形粒跃”形成过程、“环形粒跃”收缩累积过程及料堆增大过程。首个“环形粒跃”的半径随下落高度均呈线性增长，“环形粒跃”累积高度随着径向位移符合幂函数关系，下落高度对其影响最大，粒径对其影响较小，而出流口径基本没有影响。颗粒流携带卷吸气流冲击下垫面后卷吸气流成涡形式沿水平方向向外扩散，涡半径(yv)随着水平位移(xv)的增大呈指数形式变化，在本研究范围内其基本不受颗粒流下落高度及粒径的影响。
　　最后，分别利用地面及水面作为下垫面对比量化不同流段时下落及碰撞产尘的差异。当颗粒流处于稳定段及过渡段时，碰撞产尘所占比例较高，产尘率随着口径的增大而减小，随下落高度成一次函数关系；而处于扩散段，碰撞产尘含量较少，随着出流口径的增大而增大，产尘率与下落高度成指数关系。当颗粒流与下垫面的碰撞发生在过渡段时应重点减少碰撞产尘，当碰撞发生在扩散段时应重点减少扩散产尘。

目录

声明

符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题

1.4 研究思路

1.5 研究内容

1.6 技术路线

2 散装物料的物理特性及其产尘机理

2.1 引言

2.2 散状物料的物性表征参数

2.3 样品颗粒物的物理特性

2.4 颗粒物在流场中的基本受力分析

2.5 颗粒流产尘机理

2.6 本章小结

3 下落过程颗粒流流动特性及产尘分析

3.1 引言

3.2 实验装置及实验过程

3.3 实验结果及分析

3.4 本章小结

4 颗粒流冲击壁面扩散及粉尘释放规律

4.1 引言

4.2 实验装置及实验过程

4.3 实验结果及分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和科研成果

致谢

附录1:

附录2: