基于大涡模拟—颗粒二阶矩的两相流动与反应数值模拟

论文摘要

气固两相流的流动与反应现象普遍存在于能源、化工、电力等领域，一个典型的工业应用就是流化床反应器。流化床以其颗粒掺混性强、操作温度易控制、燃料适应性广等优势被广泛应用，深入认识和研究流化床内气固两相流动与反应机理有着重要的现实意义。计算机技术的发展使得数值模拟方法已经在气固两相流的预测与研究中广泛应用。然而，流化床内气相湍流、颗粒碰撞耗散以及气固相间多向耦合作用等问题增加了模拟的复杂性。另外，均相反应与气固异相反应的同时存在，反应过程的吸放热温度变化，使得气固相间的流动与反应过程相互影响，对研究模型精度的要求更高。因此，正确合理地构建和完善数学模型对流化床内气固两相流动与反应的研究有重要的指导意义。本文采用大涡模拟方法模拟气相湍流，推导了考虑气固相间作用影响的气相亚格子湍动能方程，建立了亚格子湍动能模型。颗粒相考虑了颗粒速度脉动各向异性，采用颗粒速度脉动二阶矩模型。对于气固相间作用，不但考虑了气固相间作用力影响，而且补充了气固相间二阶脉动能量作用的影响，类比Simonin模型，通过气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递来封闭气固相间作用二阶模型。考虑气相湍流、颗粒相速度脉动各向异性及气固相间的一阶与二阶相互作用建立了气相大涡模拟-颗粒相二阶矩双流体模型（LES-SOM Model）。将LES-SOM模型拓展到反应领域，补充了组分方程和能量方程，同时考虑了反应过程中气相与颗粒相质量改变对流动的影响。将涡耗散概念（Eddy Dissipation Concept, EDC）反应模型思想应用于气相大涡模拟反应中，通过比较亚格子过滤尺度与微细结构尺度的大小关系，在微细结构上建立亚格子反应模型进行封闭。应用LES-SOM双流体模型分别对低质量流率和高质量流率提升管内气固两相流动特性进行数值模拟。与Jiradilok等低质量流率情况和Herbert等高质量流率情况的实验数据吻合均较好。模拟结果显示提升管内颗粒浓度中心低边壁高，颗粒速度中心高边壁低，呈典型的“环-核”流动结构。气相亚格子湍动能与亚格子能量耗散呈中心高边壁低的分布趋势。颗粒速度脉动各向异性明显，颗粒相轴向速度脉动二阶矩大于径向速度脉动二阶矩，分散颗粒的速度脉动二阶矩及速度脉动各向异性比颗粒聚团明显。颗粒相雷诺应力型二阶矩与气相雷诺应力型二阶矩分布一致，数值上小于气相雷诺应力型二阶矩。同时比较了不同气相大涡模拟亚格子模型、不同气固相间二阶作用模型下气固流动特性，分析了颗粒弹性恢复系数、气体表观速度及颗粒入口质量流率对气固流动的影响。随着气体速度增加和颗粒循环流量降低，颗粒轴向二阶矩与径向二阶矩的比值呈幂函数增加，其比值可达到4-4.5。颗粒浓度径向分布由“U型”变为“倒U型”，分布出现反转。获得了所研究的颗粒直径和密度为300m和2500kg/m3时径向颗粒浓度分布出现反转、流动由“稀相流态化”变为“快速流态化”的界限气体表观速度与界限颗粒循环流量。应用LES-SOM双流体模型，对流化床内煤颗粒的流动燃烧过程进行数值模拟。建立了煤燃烧反应模型，比较了气相亚格子反应模型对燃烧过程模拟结果的影响，模拟得到的出口处各气体组分含量与Topal等实验数据吻合较好。模拟结果给出了煤燃烧过程中煤颗粒与脱硫剂颗粒的浓度、速度、颗粒速度脉动二阶矩及雷诺应力型二阶矩分布规律，并对不同组分速度脉动各向异性进行了研究。同时得到了煤热解、碳燃烧、挥发分燃烧、NOx气体排放及脱硫过程中气体及颗粒各组分分布及温度场分布特点。总结了提升管煤燃烧过程中，反应速率随温度和浓度的变化规律。亚格子反应速率随温度升高而增大。随颗粒浓度的增加，挥发分均相反应速率升高，而碳颗粒燃烧异相反应速率逐渐降低。考虑了高颗粒浓度下的摩擦应力影响，将LES-SOM双流体模型应用于鼓泡流化床内生物质木材颗粒的气化过程。建立了生物质气化反应模型，比较了气相亚格子反应模型对气化过程模拟结果的影响，模拟得到的出口处各气体组分含量在实验数据允许范围内。分析了鼓泡床内气泡的存在对流动与反应的影响，着重研究了粒径不同的两种碳颗粒在反应过程中浓度、速度、颗粒速度脉动二阶矩及雷诺应力型二阶矩变化特性。同时分析了焦油热解、燃气氧化和碳颗粒燃烧及气化过程特点，模拟结果给出了气体各组分分布以及温度场分布，并总结了流化床生物质气化过程中，反应速率随温度和浓度的变化规律。亚格子反应速率随温度升高而增大。随着颗粒浓度的增加，气体均相反应速率和碳的氧化反应速率先增加，达到最大值后，再逐渐降低。在低颗粒浓度时，碳还原反应速率随浓度增加而增加；在高颗粒浓度时，随颗粒浓度变化不大。水煤气反应和甲烷化反应与颗粒浓度基本无关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流化床反应器内气固特性研究
• 1.2.1 流化床反应器内气固流动特性研究
• 1.2.2 流化床反应器内气固燃烧特性研究
• 1.2.3 流化床反应器内气固气化特性研究
• 1.3 气固两相双流体模型
• 1.4 大涡模拟在湍流与反应中的应用
• 1.4.1 大涡模拟方法
• 1.4.2 亚格子流动模型研究
• 1.4.3 亚格子反应模型研究
• 1.5 颗粒速度脉动各向异性研究
• 1.6 气固相间作用模型研究
• 1.6.1 气固相间作用力模型
• 1.6.2 气固相间脉动二阶关联作用模型
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第2章 气相大涡模拟－颗粒相二阶矩双流体模型
• 2.1 引言
• 2.2 高浓度气固两相流的气相大涡模拟模型
• 2.2.1 气相可解尺度质量守恒方程
• 2.2.2 气相可解尺度动量守恒方程
• 2.2.3 气相可解尺度能量守恒方程
• 2.2.4 气相可解尺度组分守恒方程
• 2.2.5 气相亚格子流动模型的封闭
• 2.2.6 气相亚格子反应模型的封闭
• 2.3 高浓度气固两相流的颗粒相速度脉动二阶矩模型
• 2.3.1 颗粒速度各向异性分布函数
• 2.3.2 颗粒相流动控制方程
• 2.3.3 颗粒相反应控制方程
• 2.4 气体-颗粒相间作用模型
• 2.4.1 相间曳力模型
• 2.4.2 气固相间二阶关联项模型
• 2.5 壁面边界条件
• 2.6 本章小结
• 第3章 提升管内气固两相流动特性的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 低质量流率提升管流动特性分析
• 3.2.1 模拟工况及条件
• 3.2.2 模拟结果与 Jiradilok 等实验对比
• 3.2.3 瞬时流动特性分析
• 3.2.4 浓度与速度特性分析
• 3.2.5 气相亚格子湍动能与耗散分析
• 3.2.6 颗粒相速度脉动二阶矩分析
• 3.2.7 气相与颗粒相雷诺应力型二阶矩分析
• 3.3 高质量流率提升管流动特性分析
• 3.3.1 模拟工况及条件
• 3.3.2 模拟结果与 Herbert 等实验对比
• 3.3.3 瞬时流动特性分析
• 3.3.4 气相亚格子模型比较
• 3.3.5 气固相间二阶关联模型比较
• 3.3.6 颗粒碰撞弹性恢复系数影响
• 3.3.7 气体表观速度的影响
• 3.3.8 颗粒质量流率的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 流化床内燃烧过程特性的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 煤颗粒燃烧过程反应模型
• 4.2.1 煤热解反应模型
• 4.2.2 碳燃烧反应模型
• 4.2.3 挥发分燃烧反应模型
• x排放过程反应模型'>4.2.4 NO_x排放过程反应模型
• 4.2.5 脱硫过程反应模型
• 4.3 模拟工况及条件
• 4.4 模拟结果与 Topal 等实验对比
• 4.5 煤颗粒燃烧过程瞬时结果分析
• 4.5.1 瞬时浓度与速度分布
• 4.5.2 瞬时颗粒相组分质量分数分布
• 4.5.3 瞬时气相组分摩尔分数分布
• 4.5.4 瞬时气相与颗粒相温度分布
• 4.6 煤颗粒燃烧过程时均结果分析
• 4.6.1 时均浓度与速度分析
• 4.6.2 时均颗粒相速度脉动二阶矩分析
• 4.6.3 时均颗粒相雷诺应力型二阶矩分析
• 4.6.4 时均碳燃烧结果分析
• 4.6.5 时均挥发分燃烧结果分析
• 4.6.6 时均 NOx排放结果分析
• 4.6.7 时均脱硫结果分析
• 4.6.8 时均气相与颗粒相温度分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 流化床内气化过程特性的模拟
• 5.1 引言
• 5.2 生物质气化过程反应模型
• 5.2.1 生物质热解反应模型
• 5.2.2 焦油热解反应模型
• 5.2.3 水气转换反应模型
• 5.2.4 燃气氧化反应模型
• 5.2.5 碳的气化反应模型
• 5.3 模拟工况及条件
• 5.4 模拟结果与 Gerber 等实验对比
• 5.5 生物质气化过程瞬时结果分析
• 5.5.1 初始流化特性分析
• 5.5.2 瞬时浓度分布
• 5.5.3 瞬时气相组分摩尔分数分布
• 5.5.4 瞬时气相与颗粒相温度分布
• 5.6 生物质气化过程时均结果分析
• 5.6.1 时均浓度与速度分析
• 5.6.2 时均颗粒相速度脉动二阶矩分析
• 5.6.3 时均气相与颗粒相雷诺应力型二阶矩分析
• 5.6.4 时均焦油热解过程分析
• 5.6.5 时均燃气氧化过程分析
• 5.6.6 时均碳颗粒燃烧和气化过程分析
• 5.6.7 时均气相与颗粒相温度分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 气相亚格子湍动能方程的推导过程
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历