微小磁流化床内纳米颗粒流动特性的数值模拟研究

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1、微小磁流化床内纳米颗粒流动特性的数值模拟研究摘要微小流化床反应器由于具有较小的体积，使其不仅有很好的传热和传质特性，还可以减少污染物，利于节能，同时提高反应的效率。微小流化床引入磁场，可以强化传递与反应过程，使得微小磁流化床反应器在气固催化反应和非催化反应方面有广泛的应用。研究微小流化床中纳米颗粒的流动特性可以更好的认识毫米级尺度下流化床的流化机理，同时对微小磁流化床的应用也具有重要的价值。本课题应用GAMBIT2.2软件、FLUENT6.3软件和实验室流化床系统地研究了微小流化床内纳米颗粒在不同的床内径、

2、表观气速、颗粒粒径、分布板结构、分布板开孔率、磁场强度以及有无侧壁辅助进气等条件的流化特性和流体动力学行为。讨论了不同的操作条件对颗粒的沟流、颗粒内循环、壁效应及床层压降的影响。研究结果表明，微小流化床内颗粒随着气速的增大逐渐开始流化，当速度为0.20m/s时，纳米颗粒被气体输送出流化床，成为输送床。纳米颗粒从开始流化到被输送出流化床，其流化介质的速度变化范围并不大，其原因为纳米颗粒粒径较小，流化前期由于颗粒间作用力较大，粘性较强，使其不易流化，而流化后期由于纳米颗粒体积较小，在被破坏了颗粒间作用力之后容易

3、随流化介质带出流化床。纳米级颗粒的粒径在0-100nm之间，颗粒大小对颗粒流化质量的影响较弱，流化特性并无明显差别。针对均匀布风流化床内颗粒分布不均，颗粒沿壁面上升较严重现象，设计了不均匀布风板流化床，优化了颗粒的流化效果，减少了气泡的数量，较大的改善了颗粒轴向流化质量。随着开空率的增大，气泡的体积也逐渐增加，流化床底部形成很大的气泡。随着流化床床径的增加，壁效应减弱，颗粒流化质量提高。通过在流化床侧壁辅助进气，流化床内形成旋涡较多，颗粒内循环较好，固相分布均匀，气固充分接触。在内径20mm微小磁流化床中，

4、考察了磁场对纳米颗粒流体力学的影响。磁场可以抑制纳米颗粒的沟流，甚至消除，实现稳定流化。随着磁场强度增大，微小磁流化床内纳米颗粒的流化质量提高越明显。通过均匀磁场流化床的流体力学模拟，对微小磁流化床内颗粒的分布进行了研究。在不同的磁场强度下，对粒子的速度与体积分数的分布进行了分析。在微小磁流化床中随着磁通密度的增加，对颗粒的颗粒温度的分布进行了分析。模拟表明，在不同的磁通量下，固体体积分数，由于磁场的存在，颗粒磁化增加，固体体积分数降低。颗粒的颗粒温度随着磁通密度的增加而减小。关键词：微小磁流化床FLUEN

5、T纳米颗粒流态化数值模拟前沿计算流体力学随着计算机的迅速发展，在许多领域越来越受到人们关注，特别是在多相流中的应用，也越来越受到重视。对这类反应器，研究人员对多相流动过程进行了大量的模型探索和实验研究。计算流体力学模型根据流场中动量守恒定律、质量守恒定律和能量守恒定律，结合具体的相关反应过程，建立了反映气固两相流动流体力学方程组，用于描述整个反应器。计算流体力学模型的建立，有利于更详细的了解反应器，指导反应器设计、放大及优化操作。近年来，使用FLUENT模拟软件在化工领域的应用得到了快速发展。FLUENT可

6、用于分析二维轴对称、二维平面和三维流动分析，完成流场模拟、多相流分析、定常与非定常流动分析、传热和热混合分析、多孔介质分析、化学组分混合和反应分析、可压缩和不可压缩流体的计算、层流和湍流模拟等[55]。FLUENT由于其强大的功能，模拟结果准确，受到业内人士的欢迎，并且可以结合实验步骤进行设备的优化，不仅节约时间，也降低成本。纳米颗粒是指粒径在1—100nm之间的微型颗粒。纳米颗粒有重要的科学研究价值，搭起宏观物质和原子、分子间的桥梁。纳米颗粒由于其较小的体积和较大的比表面积而具有了新异的物理性质、化学性质

7、和优良的表面效应。大块物质的物理性质一般与体积无关，但在纳米级的却表现出不同的性质。观测到与体积相关的物理性质，例如：半导体纳米颗粒的量子束缚，磁性材料的超顺磁性，金属纳米颗粒的表面胞质共振。研究人员制造出了类固体纳米颗粒，脂质体就是典型具有类固体特性的纳米颗粒。纳米粒子具有较多的表面活化中心，使其在催化剂方面的应用广受关注。同时纳米颗粒也可以用做磁记录材料、磁流体材料和永久磁体材料。在医学和生物工程方面，由于纳米颗粒能够穿过细胞膜，在神经细胞突触和血管间进行传播，所以用纳米粒子制成纳米机器人，对人体进行全

8、身健康检查，清理沉积物，吞噬病毒和杀死癌细胞等。随着对纳米材料技术的深入研究，新型纳米材料将会在更多的领域中被到广泛的应用。磁流化床技术是一种新型的高效的流态化技术，是电磁技术和流态化技术结合的产物。它不仅流化质量高、稳定性好，传热、传质效率高，可通过外场控制气泡的产生和发展，而且气固接触好，物料混合均匀，在能源化工，生物制药，食品环保等众多领域有广泛的应用。微小流化床由于较小体积使其具有许多优于大尺寸流化床的特