固液搅拌槽中多颗粒临界悬浮特性的实验研究

摘要

固液悬浮的主要目的是使固体颗粒完全分散在液体介质中，进而增大相间接触面积，有效地强化固液传质、传热及化学反应的进行。针对固液悬浮机理，本论文对由标准Rushton(RT)桨驱动的层流中的多个固体颗粒的临界悬浮进行了研究。
　　本论文通过相机分别从底部和侧面追踪不同临界悬浮转速下的固体颗粒的运动，并且通过Matlab识别固体颗粒的球心位置，从而获得每一个固体颗粒的运动轨迹及速度。本论文同时采用格子波尔兹曼方法（即lattice Boltzmann method，简称LBM）对实验体系进行直接数值模拟，得到固体颗粒的轨迹，及其所受流体的力与矩，并建立受力模型。
　　根据临界悬浮转速的比较可以发现，多颗粒条件下，固体颗粒能在更低的转速下开始发生悬浮，并且实验还考察了颗粒尺寸和密度的影响。同时LBM的模拟结果较好地重现了多颗粒的悬浮过程，并且获得的固体颗粒的运动轨迹与实验的运动轨迹吻合得较好。本论文最后研究了固体颗粒所受到的流体的力和矩，发现除最后一个发生悬浮的固体颗粒外，虽然作用在固体颗粒上的升力小于其净重力，但这些固体颗粒仍然能够发生悬浮。通过建立的受力模型可以发现，力矩是固体颗粒发生悬浮的关键因素，而这点在固液两相的研究中经常被忽略。

目录

声明

摘要

符号和缩略词说明

第一章 绪论

1．1 固液悬浮

1．2 颗粒运动研究

1．3 受力研究

1．3．1 受力类型

1．3．2 受力模型

1．4 数值模拟

1．4．1 计算流体力学方法

1．4．2 格子玻尔兹曼方法

1．5 粒子追踪及可视化

1．6 研究内容及方法

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究方法

第二章 实验方法

2．1 实验装置

2．2 坐标系

2．3 实验体系

2．4 数据采集

2．4．1 临界悬浮转速NLO的测定

2．4．2 可视化处理

第三章 实验结果与讨论

3．1 实验现象及重复性

3．2 颗粒数量对多颗粒临界悬浮的影响

3．2．1 临界悬浮转速NLO

3．2．2 底部轨迹

3．2．3 颗粒悬浮运动

3．3 颗粒尺寸对多颗粒临界悬浮的影响

3．3．2 底部轨迹

3．3．3 悬浮运动

3．4 颗粒密度对多颗粒临界悬浮的影响

3．4．1 临界悬浮转速NLO

3．4．2 底部轨迹

3．4．3 悬浮运动

第四章 模拟及结果讨论

4．2 临界悬浮转速NLO

4．3 运动轨迹

4．3．1 底部轨迹

4．3．2 上升轨迹

4．3．3 三维轨迹

4．4 受力分析

4．4．1 升力

4．4．2 受力模型

4．4．3 力矩

第五章 主要结论与展望

5．3 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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