多相流理论在粉体加工中的应用

气固流场的研究主要从20世纪30年代开始，伴随社会相关行业的发展，气固流场从理论研究到工程研究应用主要分为三个阶段：20世纪30年代至80年代粉体流场的理论分析和实验研究；20世纪80年代到20世纪末，粉体流场CFD单相流数值模拟研究；2000年至今，粉体流场气固两相流数值模拟试验分析。从气固流场的工程研究应用角度主要体现为气固典型分离器的分析应用到流化床、选粉机等行业的扩展应用。

（1）20世纪30年代至80年代粉体流场的理论分析和实验研究。范登格南于1929～1939年期间对旋风分离器的气流型式进行了广泛研究。他发现在旋风分离器中存在双涡流。其后，西菲尔德和拉普尔于1939年报告了对旋风分离器中气流型式的研究结果。1956年，Barth对当时的旋风分离器建模和实验。提出了计算器壁速度和控制圆筒体上切向速度的Barth平衡轨道模型，成为旋风分离器研究先驱。实验得出了经典的Barth切割粒径拟合的粉体分级效率曲线（S曲线）。1959年，Rietema模型，首先次将压降考虑为颗粒分离效率的影响因素。1962年，勒沃伦把不可压缩流体的连续性方程和N-S（Navier-Stokes）方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动情况下进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型。1975年，布洛尔、因格罕运用普朗特提出的混合场理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。国内主要从20世纪70年代开始研究，中科院力学研究所、上海化工研究院首先在旋风分离器模型上，用五孔球形探针及热线风速仪对进行了测试。20世纪80年代，许宏庆用双色激光多普勒测速仪进行了旋风分离器测试。这些流场测试图呈现出的规律大致与特林丹所得结果相同，但他们都认为非对称的切向进口造成了涡流中心与几何中心不一致，径向速度分布呈现非轴对称性等现象，同时还证实了上涡流的存在。

（2）20 世纪 80 年代到 20 世纪末，粉体流场 CFD 单相流数值模拟研究 20 世纪80 年代，随着计算机技术的迅速发展并且在科研部门的广泛应用，国外对于分离器的流态研究开始进入 CFD（computational fluid dynamics）领域。迅速出现了众多计算模型，并且广泛在研究领域推广。1982 年，Boysan 首次将 CFD 技术用于模拟旋风分离器的气相流场。波夷萨等人利用若迪推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了很好湍流模型，用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果吻合得较好。并在 1986 年提出了介于 ASM（Algebraic  Stress  equation  Model）和RSM(Reynolds Stress equation Model)之间的混合模型（Mixture Model）。1985 年，随着首先届国际多相流国际会议在美国的召开，理论研究开始逐渐与工业生产结合。颗粒分离逐渐趋于分离效率研究。Mothes 和 Loffler 经过较全面的研究，提出了 Mothes-Loffler 模型。指出在分离器排气管下口有短路流，从而大大影响分离效率，并提出偏心流现象。1992 年，罗宁根大学的 Hoffmann、Santen 和 Allen 等人对粉尘浓度、压力降与分离效率之间的关系进行了研究认为:当粉尘浓度增加时,压力降和分离效率都将增加，力降、分离效率和粉尘浓度之间的相互影响变化与 Smolik和 Zenz 根据他们丰富的工作经验所得出的结论完全一致。1997 年，S.M.  Fraser、A.M.  Aabdel  Raxek 和 M.Z.  Abdullah 等人用修正过的k−ε 模型对分离器内的速度矢量分布作了研究,所得结果与实际测量结果基本吻合。20 世纪 90 年代末期，上海理工大学动力工程学院也在这方面作了一些研究，他们认为在分离器中心处存在滞流和回流现象，进一步验证了范登格南和特林丹的理论。1999 年，孙国刚用智能型五孔球形探针系统地对涡轮式离心气流分级机内全范围流场进行了测量和分析。实验测得的该流场不同于一般的切流式旋风分离器或的旋转流场，它是由于顶部分级轮产生的强旋流和底部风筛切向进气迭加而综合形成的。

（3）2000 年至今，粉体流场气固两相流数值模拟试验分析。2000～2001 年，浙江大学热能工程研究所和华中科技大学煤燃烧国家重点实验室应用三维颗粒动态分析仪(3D PDA)对方形下排气分离器内的气固两相流场进行了测试，得到了几种工况条件下的流场矢量分布。研究发现分离器方腔内的流场偏离其几何中心，并呈中间为强旋流动和边壁附近为弱旋的准自由涡区的特点，且在边角处存在