本研究採用直徑25 mm之水旋風分離器，探討其空氣核心區域(Air Core)之形成，對於粒子運動軌跡、流場分布，以及分級效率的影響，並以計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬作為搭配，分別討論空氣核心有無與阻擋空氣核心形成之材質對水旋風分離器分離現象的影響。模擬方面以VOF多相流模式(Volume of Fluid)以及LES紊流模式(Large Eddy Simulation)模擬空氣核心以及內部流場之行為，利用離散相模式(Discrete Phase Model)對於水旋風分離器之顆粒運動軌跡做預測，並將模擬與實驗結果進行分析探討。
實驗結果顯示，在各種不同壓力下，薄膜管水旋風分離器的澄清效果最好，傳統水旋風分離器分級效果最好，金屬管水旋風分離器只有澄清效果。模擬結果顯示也與實驗結果有相同的趨勢。

In this study, we have investigated the influence of the formation of the Air Core with a 25mm diameter hydrocyclone on particle track, the distribution of the flow field and the classification efficiency. Moreover, we partly discussed whether there is air Core or not and the infuence of the air Core of material for hydrocyclone''s separationwith the Computational Fluid Dynamics. On the simulative side, he air core and the flow pattern in hydrocyclone was simulated by VOF model and LES model, using Discrete Phase Model to the particle track of the diameter hydrocyclone as a prediction. And the simulation and experimental results was analyzed to discuss.
The experimental results show that membrane hydrocyclone of clarifying effect is the best, radition hydrocyclone of grading effect is the best and the metal tube hydrocyclone is only the clarifying effect in different pressure. Simulation results show that the same trend as the experimental results.

頁次
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英文摘要 ...Ⅱ
目錄 ...Ⅲ
圖表目錄 ...Ⅶ

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機背景及目的 3
第二章 文獻回顧 .4
2-1 水旋風分離器發展簡介 .4
2-1-1 水旋風分離器歷史簡述 .4
2-1-2 水旋風分離器的介紹與結構 .5
2-1-3 水旋風分離器之規格 .7
2-1-4 水旋風分離器之優缺點 ..8
2-2 薄膜分離 10
2-2-1薄膜之定義、特性與結構 10
2-2-2薄膜分離程序 12
2-2-3薄膜的型式 14
2-2-4無機膜取代有機膜之趨勢 17
2-2-5無機膜取代有機膜之趨勢 17
2-3無機薄膜介紹 18
2-3-1無機薄膜之發展及其特性 18
2-3-2無機膜之種類 20
2-4水旋風分離器之特殊現象 23
2-4-1魚勾現象 23
2-4-2 短路流現象 24
2-4-3 空氣核心 24
2.2.4 循環流 ..24
2-5 水旋風分離器之材質與應用 ..26
2-6數值計算在水旋風分離器的應用 ..28
第三章 理論與數值計算方法 ..33
3-1 水旋風分離器的分離原理 ..33
3-2 無因次群 ..34
3-3 固體粒子在水旋風分離器中的受力分析 ..36
3-3-1兩相流場沉降受力分析 ..36
3-2-2低濃度顆粒的自由沉降 ..38
3-2-3水旋風分離器中剪切應力 ..40
3-3-4水旋風分離器之離心沉降與一般重力沉降的比較 41
3-3-5拉格朗日法在粒子運動中應用 42
3-4 水旋風分離器的參數 43
3-4-1 幾何結構影響 43
3-4-2 物性參數影響 46
3-4-3 操作參數影響 47
3-5 數值模擬計算 50
3-5-1模擬軟體的介紹 50
3-5-2網格結構建立 50
3-5-3統御方程式 54
3-5-4流體模型 54
3-5-5邊界與操作條件 57
3-5-6迭代控制的參數 58
3-5-7收斂準則 59
第四章 實驗裝置與步驟 60
4-1水旋風實驗裝置 60
4-2實驗物料與濾膜設備 64
4-2-1實驗物料 64
4-2-2實驗濾膜 65
4-2-3實驗設備 65
4-3實驗流程步驟 67
第五章 結果與討論 68
5-1 實驗結果 68
5-1-1 壓降效應 74
5-2 Fluent軟體模擬結果 80
5-2-1 空氣體積分率 80
5-2-2 速度分佈 87
5-2-3空氣核心分佈 90
5-2-4速度場分佈 91
5-3離散相粒子移動軌跡 92
5-4實驗與模擬結合比較 115
第六章 結論 127
符號說明 .129
參考文獻 .133

圖目錄
第二章
圖 2-1 水旋風分離器的結構與渦流走向...................................................6
圖 2-2 兩種基本的水旋風分離器設計 (a)小圓錐角(b)大圓錐角 ............7
圖 2-3 兩種不同薄膜結構之橫截面圖示：(A)對稱型；(B)非對稱型 11
圖 2-4 薄膜孔洞大小與適用範圍之分離程序圖 13
圖 2-5 非支撐式無機膜示意圖 22圖 2-6 支撐式無機膜示意圖 22
圖 2-7 魚勾現象 23
第三章
圖 3-1 三種渦流半徑與切線速度剖面圖 41
圖 3-2 水旋風分離器的基本結構 45
圖 3-3 傳統水旋風分離器的網格 52
圖 3-4 金屬管與薄膜管水旋風分離器的網格 53
第四章
圖 4-1 水旋風分離器實驗裝置圖 60
圖 4-2 傳統水旋風分離器示意圖 61
圖 4-3 金屬棒取代空氣核心之水旋風分離器示意圖 62
圖 4-4 陶瓷薄膜管取代空氣核心之水旋風分離器示意圖 63
圖 4-5 碳化矽的粒徑分布 64
第五章
圖 5-1 THC不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖 68
圖 5-2 SHC不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖 69
圖 5-3 MHC不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖 69
圖 5-4 THC進口壓力對進口速度和特性速度作圖 70
圖 5-5 SHC進口壓力對進口速度和特性速度作圖 70
圖 5-6 MHC進口壓力對進口速度和特性速度作圖 71
圖 5-7 三種型態水旋風分離器進口壓力對雷諾數作圖 72
圖 5-8 三種型態水旋風分離器進口壓力對尤拉數作圖 73
圖 5-9 THC在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 74
圖 5-10 SHC在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 75
圖 5-11 SHC在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 75
圖 5-12 THC在不同壓力下底流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 76
圖 5-13 SHC在不同壓力下底流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 76
圖 5-14 MHC在不同壓力下底流的粒徑分佈(CF=0.35Vol%) 77
圖 5-15 在2 bar壓力下，三種型態水旋風分離器分級效率 78
圖 5-16 在4 bar壓力下，三種型態水旋風分離器分級效率 78
圖 5-17 不同壓力下，薄膜水旋風分離器膜管流量 79
圖 5-18 THC在2 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 81
圖 5-19 THC在4 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 82
圖 5-20 SHC在2 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 83
圖 5-21 SHC在4 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 84
圖 5-22 MHC在2 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 85
圖 5-23 MHC在4 bar下，0.1-1.5s的空氣體積分率 86
圖 5-24 THC y-z方向圓錐和圓柱間流場剖面圖 88
圖 5-25 SHC y-z方向圓錐和圓柱間流場剖面圖 88
圖 5-26 MHC y-z方向圓錐和圓柱間流場剖面圖 89
圖 5-27 不同水旋風分離器在z=0.125的x-y 平面相分布 90
圖 5-28 不同水旋風分離器在z=0.125的Z軸速度分布 91
圖 5-29 粒子移動軌跡起點示意圖(y=0,x-z平面) 93
圖 5-30 位置1，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 94
圖 5-31 位置2，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 95
圖 5-32 位置3，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 96
圖 5-33 位置4，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 97
圖 5-34 位置5，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm. 98
圖 5-35 位置6，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 99
圖 5-36 位置7，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 100
圖 5-37 位置8，THC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm. 101
圖 5-38 位置1，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 102
圖 5-39 位置2，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm . 103
圖 5-40 位置3，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.104
圖 5-41 位置4，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.105
圖 5-42 位置5，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.106
圖 5-43 位置6，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.107
圖 5-44 位置7，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.108
圖 5-45 位置8，SHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.109
圖 5-46 位置1，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.110
圖 5-47 位置2，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.111
圖 5-48 位置3，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.112
圖 5-49 位置4，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.113
圖 5-50 位置5，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.114
圖 5-51 位置6，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.115
圖 5-52 位置7，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.116
圖 5-53 位置8，MHC 粒徑的粒子軌跡(a)1μm(b)5μm(c)10μm(d)15μm.117
圖 5-54 SiC 總括分級效率(CF=0.35vol%)................................................. .121
圖 5-55 2bar 壓力下，THC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................... .123
圖 5-56 4bar 壓力下，THC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................... .123
圖 5-57 2bar 壓力下，SHC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................... .124
圖 5-58 4bar 壓力下，SHC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................... .125
圖 5-59 2bar 壓力下，MHC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................. .126
圖 5-60 4bar 壓力下，MHC 模擬與實驗SiC 分級效率比較 .................. .126

表目錄
第二章
表 2-1 四種主要膜組件之特性比較 ......................................................... 15
表 2-2 常見膜之材料及其特性 ................................................................. 18
表 2-3 無機膜之優缺點及其應用 ............................................................. 20
第四章
表 4-1 複合陶瓷膜管之性質 ..................................................................... 65
第五章
表 5-1 THC 在不同位置與不同粒徑受到流場的影響 ............................ 119
表 5-2 SHC 在不同位置與不同粒徑受到流場的影響 ............................ 119
表 5-3 MHC 在不同位置與不同粒徑受到流場的影響 ........................... 120
表 5-4 實驗各水旋風分離器分離濃度表 ................................................. 122

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