超細顆粒流動特性研究

【摘 要】 本文通過對超細顆粒發(fā)展的介紹及研究方法，詳細介紹了前人的研究成果，并提出了超細顆粒物理結(jié)構(gòu)的差異帶來的問題及關(guān)注，提出采用矩方法能夠描述顆粒系統(tǒng)中數(shù)量的變化，追蹤顆粒聚團過程，所以將直接矩積分方法應(yīng)用到超細顆粒的研究中具有現(xiàn)實意義和很好的前景。

【關(guān)鍵詞】 超細顆粒 流動特性 數(shù)值模擬

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2017.04.011

1 前言

隨著顆粒技術(shù)的發(fā)展，超細顆粒本身的一些特性越來越受到人們的重視，其在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認同，然而由于超細顆粒通常直徑分布在（1～100）nm范圍內(nèi)，顆粒間的粘性力作用明顯，顆粒間很容易形成聚團，使顆粒本身所起作用降低。同時給生產(chǎn)中使用超細顆粒帶來不便，因此研究粘性顆粒的流動特性十分必要。數(shù)值模擬在科學(xué)研究中起著重要作用，在對顆粒系統(tǒng)的描述中，針對聚團和破碎導(dǎo)致顆粒數(shù)量變化的情況，學(xué)者引入了矩方法來跟蹤顆粒的數(shù)量變化，很好地解決了模擬過程中遇到的困難。

2 超細顆粒國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

超細顆粒泛指粒徑在（1～100）nm的粉末，是介于大塊物質(zhì)和原子間的中間物質(zhì)態(tài)，廣泛應(yīng)用于軍工、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、輕工、醫(yī)藥等各行業(yè)的加工處理及新材料的制備等各個領(lǐng)域。納米尺寸顆粒由于具有許多特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，如它的原子團具有幻數(shù)結(jié)構(gòu)和量子尺寸效應(yīng)，并且體積微小，比表面積大，催化活性高，對電磁波有異常的吸收等，賦予了其不同于傳統(tǒng)材料的各種獨特性能，使得納米顆粒材料的應(yīng)用在不同領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，同時納米顆粒物理和力學(xué)性能的研究受到高度重視。但是隨著物體尺寸的減小，其比表面積、比表面能增大。超細顆粒具有極大的比表面積和較高的比表面能，在制備和后處理過程中極易發(fā)生粒子凝并、團聚，形成二次粒子，使粒子粒徑變大，在最終使用時失去超細顆粒所具備的功能。針對納米顆粒學(xué)者們進行了廣泛的研究。

王兆霖等人通過實驗得到了納米顆粒流化過程中的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)納米顆粒與普通顆粒具有不同的流化過程，顆粒會產(chǎn)生明顯聚團，且呈現(xiàn)出散式流化特性。李洪鐘等利用二氧化鈦、碳酸鈣顆粒等對超新顆粒的流化進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)在流化床內(nèi)顆粒聚團現(xiàn)象明顯，且顆粒存在狀態(tài)有三種：未發(fā)生聚團的單顆粒，自然聚團和流化聚團。在鼓泡床中由于大直徑的聚團沉積在底部不容易流化，同時在氣速較大時頂部的細小顆粒會被吹出床外，針對這一現(xiàn)象，采用了錐形結(jié)構(gòu)，使得在底部區(qū)域氣體表觀速度較大足以流化大顆粒聚團，頂部區(qū)域截面擴大，表觀氣速降低，細小顆粒不至于被吹出床外，達到很好的流化效果。同時他們還分別在流化床和鼓泡床中測定了顆粒聚團直徑，發(fā)現(xiàn)流化床中顆粒聚團的最大直徑明顯低于鼓泡床，在循環(huán)流化床中，隨著氣速的增加，顆粒聚團的平均直徑減小，在高氣速下應(yīng)用循環(huán)流化床技術(shù)可以達到很好的效果。

解決顆粒聚團的方法中除了加大氣速外，研究人員還發(fā)現(xiàn)通過在流化床內(nèi)加入不結(jié)塊的顆粒可有效抑制聚團現(xiàn)象的發(fā)生，降低床內(nèi)顆粒直徑。Tong Hua等人通過在流化床中加入不發(fā)生結(jié)塊顆粒，對流化床內(nèi)顆粒聚團現(xiàn)象進行了研究，發(fā)現(xiàn)在空氣速度達到外加顆粒流化速度三到四倍時，聚團直徑明顯減小。針對不同的運行條件，測定了外加顆粒能夠使聚團破碎的范圍，建立的估計聚團直徑的計算模型。鄭建祥對超細顆粒的流化進行了數(shù)值模擬，將顆粒動理學(xué)理論與基于聚團的方法耦合，考慮了氣相與聚團之間的相互作用，同時引入了顆粒粘性和固相壓力，對超細顆粒的流動進行了準確預(yù)測。數(shù)值模擬的結(jié)果與所參考的實驗測的值吻合較好，達到了復(fù)現(xiàn)流化過程的效果。Kenya Kuwagi通過數(shù)值應(yīng)用DEM模型研究了流化床中超細顆粒的聚團過程，發(fā)現(xiàn)在氣泡通過區(qū)域顆粒壓力較高，通過與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實際過程較為一致。

在上述計算中，沒有考慮在顆粒發(fā)生聚團時，顆粒系統(tǒng)的數(shù)量發(fā)生變化，為了完善模擬結(jié)果，需要引入顆粒數(shù)量平衡方程來進行求解。通過顆粒數(shù)量平衡方程，可以跟蹤顆粒數(shù)量的變化，建立起不同時刻的平衡方程。這樣在顆粒系統(tǒng)的數(shù)量發(fā)生跳躍性的變化，如顆粒破碎或者聚并時，仍然可以很好地對系統(tǒng)進行跟蹤和描述。但是在求解數(shù)量平衡方程時，通常只得到數(shù)值解。求解顆粒數(shù)量方程的最直接手段是采用離散的方法，但是該方法無法與計算流體力學(xué)耦合。學(xué)者們提出了Monte-Carlo方法，在應(yīng)用這一方法時，需要計算較多的顆粒，因此在應(yīng)用中有一定的局限性。通過研究和改進，人們獲得了矩方法（MOM）和矩積分方法（Quadrature Method of Moment，QMOM）來解決這一問題。矩方法的提出使得在CFD中求解數(shù)量平衡方程成為可能。Fox對矩積分方法進行延伸，推導(dǎo)出了直接矩積分方法（Direct Quadrature Method of Moment，DQMOM），使得計算量減少。通過驗證發(fā)現(xiàn)，直接矩積分方法精度高、穩(wěn)定性好、計算效率較高，是行之有效的方法。直接矩積分方法是將積分近似用求和來代替，從而解決了矩方法計算量大、無法實際操作的問題。應(yīng)用該方法能夠有效模擬顆粒直徑和數(shù)量變化的過程。Fox對鼓泡床中顆粒直徑變大的過程進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)隨著流化時間的推移，顆粒直徑不斷變大，大顆粒不斷向床層底部運動，床內(nèi)逐漸由流化床狀態(tài)變?yōu)楣潭ù矤顟B(tài)。在矩方法的應(yīng)用中，林建忠、蘇軍偉等也對該方法進行了詳細研究，通過比較不同方法，認為直接矩積分方法在計算效率和準確度上都具有較大優(yōu)勢。

由于矩方法的優(yōu)越性和對顆粒數(shù)量的計算，使得該方法獲得結(jié)果將會與實際更接近，為此在針對超細顆粒的研究中引入矩積分方法具有很好的前景。

3 總結(jié)

由于超細顆粒具有的特點使得超細顆粒的應(yīng)用備受關(guān)注，同時由于顆粒直徑減小，顆粒聚團現(xiàn)象帶來的問題同樣值得人們注意，對超細顆粒的研究將會成為熱門方向。采用矩方法能夠描述顆粒系統(tǒng)中數(shù)量的變化，追蹤顆粒聚團過程，所以將直接矩積分方法應(yīng)用到超細顆粒的研究中具有現(xiàn)實意義和很好的前景。

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作者簡介

劉輝，大專，助理工程師，1997年至今一直在凌海市鍋爐壓力容器檢驗所從事特種設(shè)備檢驗工作。