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基于FLUENT的干法磁分离机理的数值模拟

作　者: 王发辉
导　师: 铁占续
学　校: 河南理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 高梯度磁场磁分离磁介质捕集数值模拟
分类号: X70
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着我国工业化进程的加快,工业生产过程中排放的废水、废气和烟尘对人类赖以生存的环境产生严重危害,如何控制工业生产排放的废物对环境的污染也越来越受到人们的广泛关注。根据工业废水、废气和烟尘中含有的颗粒物具有一定磁性的特点,研究结果表明:采用高梯度磁分离技术处理废水、废气和烟尘中的有害微粒是一个有价值的研究方向。但就高梯度磁分离理论来说,由于高梯度磁分离机理比较复杂,虽然目前已有部分学者建立了部分高梯度磁分离过程的数学模型,但其流固两相的流体力学方程十分复杂,其中部分方程还是非线性的,这样对方程的求解就变得更加困难。为此,借助计算机对高梯度磁分离过程进行数值模拟,通过对计算结果的分析揭示高梯度磁分离过程中磁分离的机理和在此过程中影响分离效率的主要因素,这对高梯度磁分离技术在工业上的应用极为重要。本文首先从分析高梯度磁分离过程中颗粒的运动着手,将流体视为连续介质,而磁性颗粒为离散体系,综合考虑颗粒所受磁场力、流体曳力等情况,基于单丝模型建立了高梯度磁场捕集磁性微粒的动力学模型,并考虑多根丝的情形,提出多丝模型的计算方法,为进一步的数值计算和的实验研究提供理论基础。其次,应用计算流体软件FLUENT对高梯度磁分离过程中气固两相流动进行数值模拟,数值计算主要考察气流速度、磁场强度、颗粒直径、颗粒磁性和介质填充率等因素对捕集效率的影响。最后,对高梯度磁分离过程进行实验研究,并将数值计算结果与实验数据进行定性比对分析,证明了本文所建立模型的适用性以及数值模拟预测结果的可靠性与准确性。研究结果表明:高梯度磁分离过程中,磁场作用力、流体曳力是磁介质捕磁性微粒的主导作用力;在0～60μm粒径范围内,磁介质对大粒径颗粒的捕集效率较高,随着粒径的减小,捕集效率逐渐减小,但当颗粒直径大于60μm时,颗粒所受的流体曳力也相应增大,使捕集效率下降;在高梯度磁分离过程中较强的颗粒磁性、较高的外磁场强度、较低的气体流速均有利于颗粒的捕集;分选空间内磁介质的填充率对捕集效率影响也较大,磁介质的填充率越大,颗粒的捕集效率越高,但填充率也并非越大越好,太大的填充率将造成磁性颗粒在介质间隙间堵塞,影响分选效果。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 研究意义  11-12
  1.3 文献综述  12-15
    1.3.1 高梯度磁分离技术的研究现状  12-13
    1.3.2 高梯度磁选设备的发展  13-15
  1.4 本文研究内容  15-18
2 高梯度磁场中磁介质捕集磁性微粒的动力学模型  18-30
  2.1 单丝模型  18-19
  2.2 颗粒受力分析  19-27
    2.2.1 颗粒所受磁场力  19-23
    2.2.2 颗粒所受流体曳力  23-25
    2.2.3 颗粒所受其它力  25-27
  2.3 颗粒运动方程  27-28
  2.4 多丝模型  28-29
  2.5 本章小结  29-30
3 气固两相流模型及数值计算方法  30-40
  3.1 气固两相湍流模型  30-34
    3.1.1 多相流模型  31-32
    3.1.2 颗粒轨道模型  32-34
    3.1.3 模型选择的基本原则  34
  3.2 气相湍流方程和数值计算方法  34-39
    3.2.1 湍流的基本方程  35-36
    3.2.2 湍流数值模拟方法  36-39
  3.3 本章小结  39-40
4 高梯度磁分离中气固两相流数值模拟  40-56
  4.1 数值计算步骤和内容  40-48
    4.1.1 几何模型及网格划分  40-44
    4.1.2 控制方程的离散  44-48
  4.2 数值计算在FLUENT 中的实现  48-55
    4.2.1 FLUENT 软件概述  48-49
    4.2.2 FLUENT 求解步骤  49-55
  4.3 本章小结  55-56
5 数值模拟结果分析  56-72
  5.1 单丝模型数值模拟结果及分析  56-67
    5.1.1 气相计算结果及分析  56-58
    5.1.2 固相计算结果及分析  58-67
  5.2 多丝模型数值模拟结果及分析  67-71
    5.2.1 介质排列方式对捕集效率的影响  67-68
    5.2.2 介质填充间距的确定  68-70
    5.2.3 介质填充数量对捕集效率的影响  70-71
  5.3 本章小结  71-72
6 高梯度磁分离过程的试验研究  72-78
  6.1 实验样品及实验装置  72-74
    6.1.1 实验样品  72
    6.1.2 实验装置  72-74
  6.2 试验方案  74-75
  6.3 试验结果及分析  75-77
    6.3.1 颗粒直径对捕集效率的影响  75-76
    6.3.2 颗粒磁性对捕集效率的影响  76
    6.3.3 磁介质填充率对捕集效率的影响  76-77
    6.3.4 试验、模拟结果对比分析  77
  6.4 本章小结  77-78
7 结论与展望  78-80
  7.1 主要结论  78-79
  7.2 研究展望  79-80
参考文献  80-85
附录  85-88
作者简历  88-89
学位论文数据集  89

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