气—液—固三相流化床流动特性的实验研究与数值模拟

论文题目: 气—液—固三相流化床流动特性的实验研究与数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 生物化工

作者: 曹长青

导师: 胡宗定

关键词: 气液固流化床,气液固循环流化床,气液固逆流湍动床,测试技术,模型,计算流体力学,局部相含率,关联式

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 由于三相流动的复杂性,目前简洁、有效的能够同时测得三相含率的测试技术仍然很缺乏,三相实验数据也很少,能够准确描述其流动行为的数学模型也十分有限,这种局面制约着三相流化床的学术研究和工业应用。为此,本文拟开发完善能同时测得气液固三相局部含率的微电导探针测试技术;获得大批传统和循环三相流化床实验数据并进行流动特性分析;建立气液固三流体湍流流动的E/E/E模型(简称E/E/E模型),应用计算流体力学方法进行数值模拟。论文首先分析了三相流化床在流体力学行为、测试技术及流动模型和模拟方面的研究现状,给出了进一步的研究方向。其次,以课题组的初步工作为基础,开发完善了能同时测得气液固三相局部含率的微电导探针测试技术。第三、运用上述微电导探针测试技术测得了传统和循环流化床的局部相含率实验数据5000余套,研究了流动特性等,并将实验数据进行了关联,得到了一系列特性关联式。实验研究表明,在传统并流三相流化床的充分发展区,在r/R=0.75～0.85范围内,局部固含率分布有一个极大值峰,在气体分布器区,三相局部含率的径向分布存在明显不对称分布;逆流三相湍动床的液体粘度对局部气固含率有影响,与高密度颗粒体系相比,极大值峰出现的范围增大;在三相循环流化床的上行床,随液体粘度增大,颗粒循环速度增大,局部气含率和局部固含率的径向分布均趋于平坦,并得到包含不同液相粘度的三相循环流化床的流区图。第四,通过修正和完善国、内外对多相流相间耦合最新研究成果,建立了封闭的E/E/E模型。采用RNG k-ε模型和气固直接相互作用的特殊动量交换项模型。应用Fluent6.0计算软件,离散格式采用有限体积方法,对三相传统、循环流化床局部相含率进行了数值模拟。结果表明,模拟结果与实验数据吻合良好,所建立的E/E/E模型具有较好的准确性和可靠性。

论文目录:

前言

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 气-液-固三相流化体系操作方式和流动

1.2.1 气-液-固三相流化体系操作方式

1.2.2 气-液-固三相流化体系的流动

1.3 气-液-固三相流化床总体动力学行为的研究

1.3.1 气-液-固三相流化床流型的划分

1.3.1.1 传统三相流化床流型的划分

1.3.1.2 逆流三相湍动床流型的划分

1.3.1.3 三相循环流化床流型的划分

1.3.2 气-液-固三相流化床初始流化速度的研究

1.3.2.1 小(或轻)颗粒体系最小流化速度

1.3.2.2 大(或重)颗粒体系最小流化速度

1.3.2.3 混合颗粒体系最小流化速度

1.3.3 气-液-固三相流化床相含率

1.3.3.1 气-液-固三相平均相含率

1.3.3.2 气-液-固三相局部相含率

1.4 气-液-固三相流化床流动模型及计算流体力学软件

1.4.1 机理模型

1.4.2 多相流体力学模型

1.4.2.1 多相流体力学模型的研究进展

1.4.2.2 拟两相流体力学模型

1.4.2.2.1 液-固为拟均相的两相流体力学模型

1.4.2.2.2 气-液为拟均相的两相流体力学模型

1.4.2.3 气-液-固三相流体力学模型

1.4.2.4 模型的求解及数值算法

1.4.3 计算流体力学软件

1.4.3.1 网格的划分

1.4.3.2 计算流体力学软件

1.5 多相流测试技术

1.5.1 非接触法测试技术

1.5.2 接触法测试技术

1.5.2.1 针型探头测试技术

1.5.2.2 超声探头测试技术

1.6 本论文研究方案

1.7 小结

第二章 三相含率同时测量的电导探针技术及其改进

2.1 引言

2.2 测试原理

2.2.1 液固系统电导与固含率的线性关系

2.2.2 气液固三相局部含率的测量

2.2.2.1 气液固三相局部含率的测量原理

2.2.2.2 气液固三相局部含率的测量示意图

2.2.3 测试方法的验证

2.3 数据采集系统的硬件设计

2.4 数据采集前端程序的设计

2.5 数据处理

2.6 小结

符号说明

第三章 气液固三流体湍流流动的E/E/E 模型

3.1 引言

3.2 三相流体湍流流动的E/E/E 模型

3.2.1 三相流体流动控制方程

3.2.1.1 质量守恒方程

3.2.1.2 连续相动量守恒方程和分散相动量守恒方程

3.2.2 湍动参数方程

3.2.2.1 湍动能(k)方程

3.2.2.2 湍动能耗散率(ε)方程

3.2.3 相界面动量交换模型

3.2.3.1 连续相(液相)与分散相(气相和固相)间的动量传递模型

3.2.3.2 分散相(固相)与分散相(气相)间的动量传递模型

3.2.3.3 Magmus 力模型

3.3 计算域与边界条件

3.4 三相流化床计算网格模型

3.5 数值求解方法

3.6 数值模拟结果分析

3.6.1 局部固含率和液体速度分布的模拟

3.6.2 局部气含率和气体速度分布的模拟

3.6.3 流化床内液体波动行为的模拟

3.6.4 压力场和速度场的模拟

3.7 小结

符号说明

第四章 气液固三相传统流化床局部含率的实验研究与数值模拟

4.1 引言

4.2 实验装置、流程、操作条件和物性及步骤

4.2.1 实验装置

4.2.2 实验流程

4.2.3 实验操作条件和物性

4.2.4 实验步骤

4.3 实验测试方法、数据采集及处理

4.3.1 气体流量测量及表观气速计算

4.3.2 液体流量测量及表观液速计算

4.3.3 三相局部含率及平均气含率测量

4.3.4 数据采集及处理

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 气液固三相传统流化床充分发展区局部相含率轴径向分布

4.4.1.1 气液固三相传统流化床充分发展区局部固含率ε_s径向分布

4.4.1.2 气液固三相传统流化床充分发展区局部固含率ε_s轴向分布

4.4.1.3 气液固三相传统流化床充分发展区局部气含率ε_g径向分布

4.4.1.4 气液固三相传统流化床充分发展区局部气含率ε_g轴向分布

4.4.1.5 气液固三相传统流化床充分发展区截面平均气含率

4.4.2 气液固三相传统流化床充分发展区局部相含率关联式

4.4.2.1 局部固含率和局部气含率关联式

4.4.2.2 局部固含率和局部气含率关联式的实验验证

4.4.3 气液固三相传统流化床气体分布器区局部相含率及床层膨胀比(H/H_0)的研究

4.4.3.1 气-液-固三相传统流化床气体分布器区局部固含率径向分布

4.4.3.2 气液固三相传统流化床气体分布器区局部气含率径向分布

4.4.3.3 气液固三相传统流化床气体分布器区局部液含率径向分布

4.4.3.4 气液固三相传统流化床气体分布器区截面平均气含率变化规律

4.4.3.5 气液固三相传统流化床气体分布器区床层膨胀比(H/H_0)变化规律

4.4.4 气液固三相传统流化床最小流化液速及局部相含率的研究

4.4.4.1 气液固三相传统流化床气体微扰液体模型

4.4.4.2 模型中参数估值

4.4.4.3 表观气速对最小流化液速的影响

4.4.4.4 最小流化状态局部固含率的分布规律

4.5 气液固三相传统流化床局部相含率的数值模拟

4.5.1 气液固三相传统流化床局部气含率的数值模拟

4.5.1.1 表观气速对局部气含率径向分布的影响

4.5.1.2 表观液速对局部气含率径向分布的影响

4.5.1.3 局部气含率实测值与模拟计算值的比较

4.5.2 气液固三相传统流化床局部固含率的数值模拟

4.5.2.1 表观气速对局部固含率径向分布的影响

4.5.2.2 表观液速对局部固含率径向分布的影响

4.5.2.3 局部固含率实测值与模拟计算值的比较

4.6 小结

符号说明

第五章 气液固逆流三相湍动床流动特性的实验

5.1 引言

5.2 实验装置、流程、操作条件和物性及步骤

5.2.1 实验装置

5.2.2 实验流程

5.2.3 实验操作条件

5.2.4 实验步骤

5.3 实验测试方法、数据采集及处理

5.4 实验结果与讨论

5.4.1 气液固逆流三相湍动床局部相含率径向分布的研究

5.4.1.1 局部固含率和局部气含径向分布的关联式

5.4.1.2 局部固含率和局部气含径向分布关联式的实验验证

5.4.2 气液固逆流三相湍动床不同流型的实验研究

5.4.3 气液固逆流三相湍动床表观气速U_(g1)的实验研究

5.4.4 气液固逆流三相湍动床表观气速U_(g2)的实验研究

5.4.5 气液固逆流三相湍动床表观气速U_(g3)的实验研究

5.5 小结

符号说明

第六章 气液固三相循环流化床流动特性的实验研究与数值模拟

6.1 引言

6.2 实验装置、流程、操作条件和物性及步骤

6.2.1 实验装置

6.2.2 实验流程

6.2.3 实验操作条件

6.2.4 实验步骤

6.3 实验参数的测量及数据采集和处理

6.3.1 固体颗粒循环速率测定

6.3.2 液体粘度测定

6.3.3 气液流量、局部含率测量及数据采集与处理

6.4 实验结果与讨论

6.4.1 气液固三相循环流化床局部相含率的实验研究

6.4.1.1 气液固三相循环流化床局部相含率的关联式

6.4.1.2 局部固含率关联式的实验验证

6.4.1.3 局部气含率关联式的实验验证

6.4.2 气液固三相循环流化床颗粒循环速度U_d 的研究

6.4.3 气液固三相循环流化床起始液速 U_(lc)和过渡液速U_(lt)的研究

6.4.4 气液固三相循环流化床的流型图

6.5 气液固三相循环流化床局部相含率的数值模拟

6.5.1 气液固三相循环流化床局部气含率的数值模拟

6.5.1.1 表观气速对局部气含率径向分布的影响

6.5.1.2 表观液速对局部气含率径向分布的影响

6.5.1.3 颗粒循环速度对局部气含率径向分布的影响

6.5.1.4 液体粘度对局部气含率径向分布的影响

6.5.1.5 局部气含率实测值与模拟计算值的比较

6.5.2 气液固三相循环流化床局部固含率的数值模拟

6.5.2.1 表观气速对局部固含率径向分布的影响

6.5.2.2 表观液速对局部固含率径向分布的影响

6.5.2.3 颗粒循环速度对局部固含率径向分布的影响

6.5.2.4 液体粘度对局部固含率径向分布的影响

6.5.2.5 局部固含率实测值与模拟计算值的比较

6.6 小结

符号说明

第七章 主要结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

在学期间发表及撰写的论文

致谢

发布时间: 2006-05-24

参考文献

• [1].三相流化床内流动与传质特性及模型化的研究[D]. 陈祖茂.北京化工大学1992

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