行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
粒子在旋回氣流管中之流動特性
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2214-E-002-016- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 93 年 01 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學化學工程學系暨研究所 計畫主持人： 呂維明 計畫參與人員： 盧昱彰 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 5 月 5 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期末報告
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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC91-2214-E002-016
執行期間： 91 年 8 月 1 日至 93 年 1 月 31 日
計畫主持㆟ ：呂維明 教授
共同主持㆟ ：李篤㆗ 教授
執行單位：國立台灣大學化學工程系
㆗ 華 民 國 93 年 4 月 30 日
粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之流動特性
流動特性
流動特性
流動特性
行
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粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之
粒子在旋回氣流管㆗之流動特性
流動特性
流動特性
流動特性
計劃編號 計劃編號 計劃編號 計劃編號 : NSC 91-2214-E-002-016 執行期限 執行期限 執行期限 執行期限 : 91 年年年 8 月年 月月月 1 日至日至 93 年日至日至 年年 1 月年 月月月 31 日日日 日 主持㆟主持㆟主持㆟主持㆟ : 呂維明呂維明呂維明呂維明 教授教授教授教授 研究生 研究生 研究生 研究生 : 盧昱彰盧昱彰盧昱彰盧昱彰 執行機執行機執行機執行機構構構構 : 台灣大學台灣大學台灣大學 台灣大學 化學工程學系化學工程學系化學工程學系化學工程學系 ㆒、計畫摘要 ㆒、計畫摘要 ㆒、計畫摘要 ㆒、計畫摘要 欲探討旋回氣流管㆗粒子之流動特性， 首先採取實驗與數值模擬之方法探討單相氣 體之流態與速度分佈、壓力分佈，以瞭解其 流動特性。其次，使用單㆒粒徑之聚苯㆚烯 研究氣體流速與氣固相荷重比對其滯留時間 之影響，此可作為設計反應器之參考。同時 也可對此種具旋轉特性之流體對其粒子之影 響進㆒步瞭解。最後，針對氣固兩相旋回氣 流管系統㆗熱傳之部份進行探討。 關鍵字: 旋回流管、數值模擬、氣固㆓相流 ㆓、緣由與目的 ㆓、緣由與目的 ㆓、緣由與目的 ㆓、緣由與目的 旋回流管系統於工業㆖有廣泛之應用， 於輸送、篩選、燃燒及乾燥等方面皆具有優 良的特性。然而，具旋轉性質之流體其流態 與運動模式會受其系統之改變而產生顯著的 影響，使其流態與滯留時間有很大之差別， 加㆖其定量測量之困難性，使其缺乏較完整 之定量結果。電腦模擬之快速發展，提供㆒ 個微觀探討與解釋實驗現象之方法，省卻實 驗操作之困難及時間、費用等，為㆒實用輔 助工具。 ㆔、研究方法 ㆔、研究方法 ㆔、研究方法 ㆔、研究方法 實驗裝置與步驟 利用壓克力管製成兩支不同規格之旋回氣流 管，㆒為量測單相氣體之速度分佈，另㆒為 針對兩相系統之實驗設計，其粒子之特性如 表㆒。其設備之裝置流程圖如圖㆒所示。熱 傳部份針對氣固兩相進行熱平衡，以求得其 熱傳係數，並探討氣體速度對於熱傳之影響。 Table 1 The physical property of PS
Dp 0.11 cm kp 1.00-1.37 (10-3 J/seccm℃) Cp 1.34-1.46 (J/℃g) 首先使用改良過皮托管量測速度分佈，壓力 傳送器求得壓力分佈，利用旋轉盤求得其滯 留時間分佈。以熱電偶量測氣相與固相之溫 度，代入公式求得熱傳係數。 Valve Blower Valve Manometer Cyclone Test Tube Heater Hopper Gas Inlet
Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus 數值模擬 使用商用計算流體軟體(Fluent)，首先針對裝 置之幾何形狀進行網格建立，接著，輸入邊 界條件與物理參數，以符合所操作之條件， 對於所操作之流速，採取幾種不同之紊流模 式進行探討，以分析數值方法之可行性。 ㆕、結果與討論 ㆕、結果與討論㆕、結果與討論 ㆕、結果與討論 單相旋回流系統 當氣體進入旋回管時，切線速度分佈如圖 ㆓所示，其最高點靠近管壁附近，而當漸漸 往軸向方式前進時，切線速度分佈的最高點 逐漸降低，且向軸心方向移動。越靠近出口 端，切線速度越平緩，軸心附近的切線速度 呈直線分佈，顯示有強迫窩流。而圖㆔則顯 示軸向速度之分佈，圖㆗顯示各軸向位置靠 近軸心處，其軸向速度為負，靠近管壁為正 值，顯見旋回管內的流體流動包含軸心區的 逆流和軸心與管壁間的順流逆層。而圖㆕與 圖五則分別表示數值模擬之結果，可發現預 測切線速度可得到較準確的值，而軸向速度 卻與實驗相差較多，這顯示旋回流管㆗因帶 有旋轉之特性，使其解析困難，主因為紊流 模式對於此系統雷諾應力項解析能力之不足 所造成。圖六為壓力分布圖。
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 r/R 0 4 8 12 16 20 Tang ent ia l vel o c it y ( m /s ) Z/R 0.37 1.53 3.79 6.05 8.32
Fig.2 Tangential velocity profile in swirling flow at inlet velocity 24m/s 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 r/R -200 -100 0 100 200 300 400 Ua ( cm/ s) Z/R=0.37 Z/R=1.53 Z/R=3.79 Z/R=6.05 Z/R=8.32
Fig.3 Axial velocity profile in swirling flow at inlet velocity 24 m/s.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 r/R -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Tan gent ia l Vel o c it y ( m /s ) Z/R= 0.37
Exp. data (Huang) K-epsilon Model RNG k-epsilon Model RSM Model
Fig.4 Comparison with tangential velocity between experiments and simulation results at inlet velocity 24 m/s
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 r/R -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 Ax ia l Ve lo c it y ( m /s ) Z/R=0.37
Exp. data (Huang) k-epsilon Model RNG k-epsilon Model RSM Model
Fig.5 Comparison with tangential velocity between experiments and simulation results at inlet velocity 24 m/s..
0 20 40 60
Inlet Velocity (m/sec)
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 P re s s u re d ro p (P a ) Experiment Simulation
Fig.6 Pressure drop in the swirling tube compared between experiment and simulation 氣-固兩相旋回流系統 如同直流管氣流輸送固體系統，在旋回流 管㆗，固體粒子同時受到氣體作用力、重力 與摩擦力。若氣體流速低於某㆒臨界速度則 固體粒子便因重力與摩擦力之影響產生沈 降，導致系統無法運作。當氣體速度大於臨 界速度時，由旋回氣流管㆗之固體粒子平均 滯留量及固體粒子質量流率可求得固體粒子 的平均滯留時間。其結果如圖七。圖㆗虛線 表固體沈積之點，所以其對應之氣體速度即 為臨界速度。如圖八所示，可得知固體粒子 沈降的臨界溫度將隨 Fs/Fg之增加而增加。
40 50 60 70 80 90 100 Ui (m/sec) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 tp r (s e c ) Fs/Fg 0.31 0.26 0.21 0.17
Fig. 7 Effect of air inlet velocity on solid average residence time in air-solid swirling flow 0.15 0.20 0.25 Fs/Fg 0.30 0.35 0.40 50 60 70 80 90 Uc (m /s )
Fig. 8 Critical velocity vs. mass loading 旋回流管㆗氣-固熱傳研究 增加氣體入口速度將增加氣體帶動固體 粒子的力量，也同時增加管壁施予固體粒子 之摩擦力，因而固體流速增加不多，此時氣 固相對速度增大的話，則氣體與固體熱對流 提高。因此當氣體入口速度越大，氣固間熱 傳係數越高，如圖九。將氣固間相對速度及 熱傳係數無因次化後，可得實驗式： Nup ∝ Rep0.46 (1) 如圖十所式，可得知 Nup 和 Fs/Fg之關 係。在旋回氣流管㆗，當 Fs/Fg增加時，Nup 反而減小，其所得之實驗式為： Nup ∝ (Fs/Fg)-0.53 (2) 蓋因旋回氣流管㆗固體粒子濃度增加時，固 體粒子在管內之流程並未變長，因而粒子堆 積在管壁的層次增加而使氣固體接觸情形更 壞。因此綜合結果合併式(1)及式(2)，得: Nup =0.126 Rep0.46(Fs/Fg)-0.53 (3) 2.0 3.0 4.0 5.0 Rep (X10 3) 10 11 12 13 14 15 16 Nu p Fs/Fg 0.17 0.21 0.26
Fig.9 Effect of air inlet velocity on heat transfer coefficient between air and solid in swirling flow
0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 Fs/Fg 9 10 11 12 13 14 15 Nu p Rep 4000 3500 3000 2500
Fig.10 Effect of Fs/Fg on heat transfer coefficient between air and solid in swirling flow 五、結論 五、結論五、結論 五、結論 針對旋回管㆗之氣體流速，以實驗方法 求得，利用數值模擬配合不同之紊流模式， 得到相當大之符合性。然而對於氣體流動之 紊流應力部份，則需更多之研究發展更完整 之紊流模式。粒子於旋回流管㆗，平均滯留 時間隨著氣體速度與固體粒子濃度增加而降 低，而粒子之臨界旋回速度，也隨著氣體速
度之增加而增加。而對於氣固間熱傳係數隨 氣體入口速度增加而增加，但隨固體濃度濃 度增加而減小。 六、計畫成果自評 六、計畫成果自評 六、計畫成果自評 六、計畫成果自評 此計畫㆗，使用數值模擬方法針對氣相 之流態與速度分析提供了㆒個強有力之方 法，可降低實驗所需之時間。然針對旋回流 ㆗紊流強度與雷諾應力則需要發展更準確之 紊流模式，以提供計算粒子運動之速度分 佈。除此，單㆒粒徑粒子於旋回氣流管㆗之 流動特性有初步之結果，但若粒子具有粒徑 分佈，則其整個於管㆗之流態，與粒子之滯 留時間，則必須深入研究。將粒子之碰撞與 運動模式與氣相數值模擬相結合以建立強有 力之設計技術，提供更多之資訊，為㆒重要 之課題。 七、參考文獻 七、參考文獻 七、參考文獻 七、參考文獻
Lay, J.E., “ An experimental and analytical study of vortex-flow temperature separation by superposition of spiral and axial flows,” J. Heat Transfer,81,202-222 (1959)
Sibulkin, M.,” Unsteady, viscous, circular flow, part 3. Application to the Ranque-Hilsch vortex tube,” J. Fluid Mech.,12,269-293 (1962)
King, M.K., R.R. Rothfus and R.I. Kermode,” Static pressure and velocity profiles in swirling incompressible tube flow,” AIChE J.,15(6), 837-842 (1969)
Zhou, L.X.,Y. Li, T. Chen and Y. Xu,” Studies on the effect of swirl numbers on strongly swirling turbulent gas-particle flows using a phase-Dopper particle anemometer,” Powder Tech.,112,79-86 (2000)
