论文摘要
在现代工业领域,传统机械破碎法在大规模制备微细颗粒的破碎过程中,粒径减小到一定程度后不再减小,存在粉磨极限,即“团聚”现象。液相环境为改善微细颗粒“团聚”提供了有效途径,液相环境下超声振动经常用于颗粒的分散,而且还会发生空化现象,空化泡在溃灭时产生瞬时的高压冲击波和速度高达几百米每秒的空化微射流,对微细颗粒具有冲蚀作用。空化微射流可以加速颗粒运动,造成颗粒间以及颗粒与近壁面之间的剧烈碰撞,导致微细颗粒的进一步破碎,实现超微细粉体的机械法加工,对微细粉体的大规模制备具有重要的理论研究价值和指导意义。首先,对近壁面空化微射流对微细颗粒的破碎作用进行了理论分析。由于液相阻力大,微射流速度衰减迅速,通过计算空化微射流冲击破碎的有效作用范围以及空化微射流对颗粒的有效破碎功,从空化泡溃灭的角度分析了影响微射流速度的主要参数:超声频率、超声声压幅值、液相粘度、液体表面张力和介质尺寸等,并建立和分析了不同参数下气泡溃灭速度与微射流速度的关系。其次,利用FLUENT软件对壁面附近超声空化流场的运动状态进行了数值仿真,讨论了介质尺寸、液相粘度以及功率等因素对液相含气率和流场湍动能的影响。仿真结果表明,随着介质尺寸和超声功率的增加以及液相粘度的减小,流场空化区域逐渐增加,流场湍动能也随之增加,空化效果更为显著。基于上述理论与仿真实验研究结果,搭建微细颗粒破碎的超声空化试验装置。进行物料质量浓度、介质尺寸、介质面积和功率等因素条件下的微细颗粒超声空化破碎试验研究,并利用SEM观测粉体的微观形态。分析了颗粒中位粒径D50、10%体积累积粒径D10和比表面积SSA等粒径分布特性,得到在物料质量浓度4%、功率25W、介质尺寸20mm和介质面积79168mm2条件下,粒径小于800目的微细颗粒破碎率最高可达79.35%,粒径大于10000目的极细颗粒产率最高可达12.84%。超声空化对微细颗粒破碎的影响因素试验结果表明:介质面积是主要影响因素,功率次之,介质尺寸和物料质量浓度影响最小。最后,利用FLUENT-EDEM耦合的方式仿真分析旋转流场对微细颗粒分散特性,针对仿真结果开展旋转流场下微细颗粒破碎效果的超声空化破碎实验。实验结果表明:随着流场转速的增加,颗粒间以及颗粒与介质壁面之间的碰撞、摩擦概率增加,微细颗粒的破碎效率加强,破碎率提高。本文提出了一种旋转流场下近壁面空化冲击对微细颗粒破碎的方法,利用旋转流场近壁面超声空化对微细颗粒的破碎效果进行了仿真和实验研究,为空化效应应用于微细颗粒破碎的工业化生产提供了重要的工程指导意义。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论 1.1 课题背景与意义 1.2 国内外研究现状 1.2.1 微细颗粒的破碎研究 1.2.2 近壁面超声空化的理论与实验研究 1.2.3 旋转流场中颗粒运动研究 1.3 本文研究内容 1.4 本文主要结构第二章 近壁面超声空化微射流对颗粒作用的理论计算 2.1 引言 2.2 液相超声空化形成条件 2.3 超声场下刚性壁面附近气泡动力学 2.3.1 无限大刚性壁面附近气泡动力学 2.3.2 球形刚性壁面附近气泡动力学 2.4 壁面附近空化泡与颗粒作用计算 2.4.1 颗粒受力分析 2.4.2 近壁面空化微射流有效作用范围 2.4.3 近壁面微细颗粒破碎功 2.5 本章小结第三章 球形壁面附近空化微射流及其影响因素数值分析 3.1 引言 3.2 球形壁面附近空化泡运动方程 3.3 球形壁面附近空化泡运动分析 3.3.1 空化泡初始半径对空化气泡运动的影响 3.3.2 超声频率对空化气泡运动的影响 3.3.3 超声声压幅值对空化气泡运动的影响 3.3.4 液相粘度对空化气泡运动的影响 3.3.5 液体表面张力对空化气泡运动的影响 3.3.6 介质半径对空化气泡运动的影响 3.4 球形壁面附近空化微射流与空化气泡运动关系 3.5 球形壁面附近空化泡溃灭速度与空化微射流速度分析 3.5.1 超声频率对空化泡溃灭速度和微射流速度的影响 3.5.2 超声声压幅值对空化泡溃灭速度和微射流速度的影响 3.5.3 液相粘度对空化泡溃灭速度和微射流速度的影响 3.5.4 液体表面张力对空化泡溃灭速度和微射流速度的影响 3.5.5 介质半径对空化泡溃灭速度和微射流速度的影响 3.6 本章小结第四章 近壁面超声空化流场仿真分析 4.1 引言 4.2 基于Fluent近壁面超声空化CFD模型的建立 4.2.1 模拟条件和模型边界条件 4.2.2 网格划分 4.2.3 模拟控制方程 4.2.4 模拟计算初始条件 4.3 仿真分析结果 4.3.1 介质尺寸对流场的影响 4.3.2 液相粘度对流场的影响 4.3.3 功率对流场的影响 4.4 介质壁面附近的空化泡 4.5 本章小结第五章 近壁面超声空化微射流对微细颗粒的破碎效果实验 5.1 引言 5.2 近壁面超声空化对微细颗粒破碎的实验装置设计 5.2.1 实验设备及操作参数 5.2.2 介质球尺寸的确定 5.3 正交试验方案 5.3.1 正交试验设计法 5.3.2 正交试验设计流程 5.3.3 实验过程和步骤 5.3.4 评价指标的确定 5.4 实验结果分析和讨论 5.4.1 微细颗粒粒径变化分析 5.4.2 影响因素极差分析 5.4.3 影响因素方差分析 5.4.4 微细颗粒破碎率与产率 5.4.5 破碎颗粒微观形态 5.5 本章小结第六章 旋转流场近壁面超声空化对微细颗粒的分散特性及破碎效率研究 6.1 引言 6.2 旋转流场的颗粒分散特性研究 6.2.1 基于旋转流场的CFD-DEM耦合流程及仿真条件 6.2.2 流场转速对颗粒分散影响的仿真分析 6.2.3 物料质量浓度对流场转速要求的仿真分析 6.3 旋转流场近壁面超声空化对微细颗粒破碎的实验设计 6.3.1 实验装置和方案 6.3.2 实验评价指标 6.4 实验结果分析与讨论 6.4.1 实验结果总体分析 6.4.2 极差分析 6.4.3 方差分析 6.5 微细颗粒破碎效率 6.5.1 微细颗粒破碎率 6.5.2 极细颗粒产率 6.6 本章小结第七章 结论与展望 7.1 结论 7.2 展望参考文献致谢作者简介 1 作者简历 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文 3 参与的科研项目及获奖情况 4 发明专利学位论文数据集
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 黄韶炜
导师: 孙毅,毛亚郎
关键词: 旋转流场,近壁面,超声空化,微细颗粒破碎,微射流
来源: 浙江工业大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 物理学,工业通用技术及设备
单位: 浙江工业大学
基金: 国家自然科学基金
分类号: TB559
DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000346
总页数: 90
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标签：旋转流场论文; 近壁面论文; 超声空化论文; 微细颗粒破碎论文; 微射流论文;
