電場作用對(duì)氣固流化床顆粒流化特性的影響分析

馮海燕 郝賢賢 劉懷雙

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引言

在干燥顆?；どa(chǎn)過程中，會(huì)存在靜電現(xiàn)象，流化床反應(yīng)器很容易產(chǎn)生靜電，該種設(shè)備稱為靜電流化床反應(yīng)器，在該設(shè)備中帶點(diǎn)顆粒，具備一定的粘附性，很容易出現(xiàn)結(jié)塊的情況，在操作過程中不具備一定的穩(wěn)定性，在此過程中顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到靜電的影響，而發(fā)生一定程度的改變，此時(shí)的傳熱傳質(zhì)會(huì)受到一定程度的強(qiáng)化。所以科學(xué)合理的對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行控制是至關(guān)重要的，與此同時(shí)還要確保有利的部分得到很好的應(yīng)用和強(qiáng)化。

1 極化與靜電現(xiàn)象

介電顆粒的內(nèi)部電荷不具備自由移動(dòng)的特點(diǎn)，屬于不導(dǎo)電的一種物質(zhì)。在微觀層面上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分析，那么其實(shí)是有原則和分子構(gòu)成的，帶正電的原子核以及核外帶負(fù)電的電子能夠構(gòu)成原子在此過程中，原子對(duì)外呈現(xiàn)出電中靜的狀態(tài)。正負(fù)電荷在原子以及分子上的分布是比較分散的，但是其產(chǎn)生的影響可以當(dāng)作點(diǎn)電荷，電荷的重心可以作為點(diǎn)電荷所在的位置。從原子和分子的結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析，其可以當(dāng)作電偶極子。電介質(zhì)分子可以分為無極和有極，主要是根據(jù)等效正負(fù)點(diǎn)電荷重心是否重合來進(jìn)行判斷的，在此過程中如果出現(xiàn)了重心重合的情況，那么該種分子屬于無極分子，否則則屬于有機(jī)分子。很多分子電偶極子，在沒有外電場的情況下，會(huì)出現(xiàn)趨向混亂的情況，在宏觀的角度上去分析，其處于電中性的狀態(tài)。如果存在外加電場并且分子出現(xiàn)了宏觀電荷分布的情況，那么這種情況屬于極化。

2 在外加電場的條件下，對(duì)氣固流化床顆粒的流化特性進(jìn)行分析

2.1 外加直流電場作用

2.1.1 局部電場效應(yīng)和多重極化效應(yīng)的影響。在臨近的顆粒之間會(huì)存在局部電場效應(yīng)以及多重計(jì)劃效應(yīng)，在此過程中，顆粒之間會(huì)出現(xiàn)相互作用的情況，在此過程中如果出現(xiàn)了顆粒距離比較遠(yuǎn)的情況，那么可以不考慮這兩種因素[1]。顆粒周圍的電場強(qiáng)度會(huì)隨著顆粒的彼此接近而受到一定程度的影響，在此過程中數(shù)量級(jí)也會(huì)有所提升，顆粒之間的距離如果比較近，那么多重計(jì)劃效應(yīng)，在此過程中會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的作用。計(jì)算工作在開展過程中，階段范圍外的顆粒不會(huì)產(chǎn)生太大的電場效應(yīng)，所以可以忽略。為了保證計(jì)算的簡便，對(duì)于高階的多重極化作用要進(jìn)行忽略。

2.1.2 顆粒流動(dòng)特性。在對(duì)不同電場強(qiáng)度下的流動(dòng)特性進(jìn)行分析時(shí)，主要探討了電場強(qiáng)度對(duì)顆粒流動(dòng)產(chǎn)生的作用規(guī)律，在此過程中設(shè)置了不同的電場強(qiáng)度，并且開展了具體的對(duì)照，在對(duì)顆粒之間的電極化力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只要按照修正后的模型進(jìn)行計(jì)算，在此過程中要考慮到局部電場效應(yīng)以及多重極化效應(yīng)。

2.1.3 顆粒受力特性。單個(gè)顆粒在外電場的作用下，會(huì)受到多種力的作用，包括電極化力以及接觸力等。顆粒所受到的激化程度會(huì)受到不同電場強(qiáng)度的影響而發(fā)生一定程度的變化，最終顆粒之間的電極化力也會(huì)受到影響，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及接觸力會(huì)產(chǎn)生變化。

2.2 外加交流電場作用下的顆粒流化特性

在外加交流電場的作用下，正弦交流電場是豎直方向的，在具體計(jì)算過程中，電場強(qiáng)度幅值以及電場頻率分別為 E0= 1.5 kV/mm， f = 1Hz、100Hz、1000Hz 。

2.2.1 顆粒旋轉(zhuǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)極化的影響。該文章在具體計(jì)算過程中采用了 M-W 極化模型和修正模型，前者沒有考慮顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后者考慮到了顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是用兩種模型能夠很好地對(duì)顆粒旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)計(jì)劃影響進(jìn)行計(jì)算。通過圖1可以看出，如果使用修正模型，那么電場頻率如果不同，最終所得到的顆粒電極化是小于 M-W 極化模型的，由此可以看出顆粒之間的電極化力能夠通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得到削弱。除此之外，顆粒之間的電極化力會(huì)隨著交流電場頻率的增加，而出現(xiàn)一定程度的減小，在顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響下，兩種模型之前具有很大的差異。顆粒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與交流電場的疊加效應(yīng)，在低頻電場下具有比較弱的特點(diǎn)，在此過程中會(huì)出現(xiàn)可理解的電極化率削弱的情況。在高頻電場條件下高速變化的電場，同樣起到了削弱的作用。

圖1 顆粒平均電極化力隨時(shí)間的變化

2.2.2 不同電場頻率下的顆粒流動(dòng)特性。在對(duì)交流電場頻率所產(chǎn)生的作用和影響進(jìn)行分析時(shí)，主要探討的對(duì)象是氣固流化床顆粒運(yùn)動(dòng)，模擬計(jì)算所使用的修正模型是考慮可以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響的。由圖2可以看出顆粒的走向速度分布，云圖在不同的交流電場頻率作用下，有著微小的差別，但是大體上不具備很大的差異。通過圖3可以看出，在不同的電場頻率下，軸向速度的分布呈現(xiàn)出了V型。顆粒在壁面以及中心區(qū)域分別呈現(xiàn)出了向下運(yùn)動(dòng)和上升運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

圖2 在電場頻率(a) f=1Hz；(b) f=100Hz；(c) f=1000Hz 作用下顆粒軸向速度分布

圖3 在不同電場頻率下，顆粒軸向速度沿徑向的分布

3 靜電場作用下的氣固流化床顆粒流化特性

3.1 單極荷電

顆粒在單極核電體系中帶有同樣的電荷，所以沒有對(duì)極性進(jìn)行區(qū)分。流化床中的顆粒如果是在單級(jí)核電體系中，那么其受到的靜電作用屬于庫侖斥力。在此過程中對(duì)顆粒粒徑差異以及顆粒和電量所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了相應(yīng)的分析和探討。

3.1.1 不同顆粒粒徑對(duì)靜電流化床的影響。在對(duì)不同顆粒粒徑所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析時(shí)，要按照控制變量法進(jìn)行探討和分析，在此過程中要確保電荷量是相同的。但是顆粒的大小如果不同，那么所受到的重力也是不同的，顆粒小的所受的庫存率是比較大的，所以影響也比較大。

3.1.2 不同顆粒荷電量對(duì)顆粒流動(dòng)特性的影響[2]。①顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到耗電量的影響。顆粒在氣固流化床內(nèi)的分布不具備均勻性，會(huì)呈現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)，在此過程中還會(huì)出現(xiàn)氣泡以及局部乳化等情況。流化床床層的高度在小的顆粒和電量狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)流化床比較低的狀態(tài)，在此過程中氣泡的數(shù)量以及尺寸都會(huì)呈現(xiàn)出見效的情況，整體的顆粒分布具備一定的均勻性。床層上部的顆粒在大電荷量狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)出吸收的情況，長城的高度有一定程度的增加。在此過程中，顆粒之間存在的庫倫力會(huì)呈現(xiàn)出排斥的狀態(tài)，所以距離會(huì)增大，排斥力會(huì)減小，氣泡的生成會(huì)受到抑制，排斥作用會(huì)隨著顆粒和電量的增大而越來越明顯。②顆粒濃度會(huì)受到核電量的影響。顆粒濃度比較高的區(qū)域在壁面附近，稀密兩相分界線會(huì)隨著核電量的增加而具備越來越低的凹陷度。顆粒濃度在低核電量狀態(tài)下與普通的流化床相比較，床高是比較高的，并且在核電量增加的情況下，輕濃度有一定程度的減少。這主要是因?yàn)轭w粒在分布過程中受到了庫倫斥力的影響，而出現(xiàn)了均勻性的情況。氣泡等結(jié)構(gòu)的生成在低荷電電量狀態(tài)下，同樣會(huì)受到庫倫斥力的影響，顆粒的濃度會(huì)隨著床層空隙率的降低而有一定程度的增高。顆粒之間的距離在高荷電量狀態(tài)下，較大的庫侖斥力會(huì)導(dǎo)致其距離逐漸變大，最終導(dǎo)致顆粒濃度降低，顆粒稀疏。

3.1.3 不同顆粒荷電量對(duì)顆粒受力特性的影響。顆粒之間的庫侖斥力會(huì)隨著核電量的不同而發(fā)生一定程度的改變，顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生一定程度的變化，最終整體的流動(dòng)形態(tài)會(huì)受到相應(yīng)的影響。

4 結(jié)束語

綜上所述，顆粒之間的相互作用會(huì)受到電場的影響，而出現(xiàn)一定程度的變化，內(nèi)外電場是流化床中比較常見的兩種存在形式，流化床內(nèi)的氣泡等非均勻結(jié)構(gòu)會(huì)受到電場的影響，不能夠正常的生成和演化。在外加電場條件下，要科學(xué)合理的對(duì)氣固流化床進(jìn)行分析和研究[3]。第一，顆粒在外電場的作用下會(huì)出現(xiàn)極化作用，在此過程中要考慮到局部電場效應(yīng)以及多重極化效應(yīng)，在此過程中影響比較大的是局部電場效應(yīng)。第二，顆粒的速度分布以及濃度分布在顆粒的流動(dòng)特性中，主要是受到電場強(qiáng)度的影響。顆粒之間存在著相互作用力在此過程中形成的顆粒粒兒長度會(huì)隨著電場強(qiáng)度的升高而又一定程度地增加，在此基礎(chǔ)上的組織結(jié)構(gòu)，數(shù)量也會(huì)有所增加，氣泡的生成以及顆粒的漩渦運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻礙，顆粒濃度的波動(dòng)頻率會(huì)受到一定程度的影響而出現(xiàn)增加的情況。第三，隨著電場強(qiáng)度的升高，顆粒的受力特性分析中的電極化力會(huì)受到相應(yīng)的影響而出現(xiàn)增大的情況，隨著電場頻率的增加，顆粒所受的電極化力是減小的。顆粒所受的徑向接觸力，在強(qiáng)電場的作用下是比較小的。顆粒如果被鏈狀以及團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)包圍，那么電場強(qiáng)度在增加時(shí)，其不會(huì)受到大的曳力，受到大曳力的顆粒是處于游離狀態(tài)的氣道中的顆粒。