CFD和电容层析成像技术及其在下行床的应用

论文摘要

随着工业技术的不断发展,对多相流测量技术的要求也越来越高。多相流的实时测量能够快速反映流体流动状态的变化,为分析流动时的速度、各相成分,进一步分析流动的流体力学特性,分析流动时的传热,解决实际问题提供可靠的依据。过程层析成像技术是近二十年发展起来的一种新型检测技术,可广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业中。电容层析成像技术是过程层析成像技术的一种,具有测试系统简单、安全性好、非侵入、价格低廉等优点。 本文计算了12电极方形传感器在几种典型不同形状气固流动模型条件下的电容值,应用LBP算法、Landweber迭代算法、正则迭代算法、正则法等不同成像算法进行了图像重建计算,并且比较了这些算法的优缺点。结果表明,LBP算法可以快速定性地反映气固流动情况,Landweber迭代算法可以比较精确的反映气固流动情况,快速的正则迭代算法可以快速和精确地显示流动情况。同时作者使用现有的16通道交流激励的电容层析成像测量系统测量了液固两相流在旋转桶体内的流动情况,测量结果很好地反映了流动状况。 本文根据下行床内气固两相动量方程、连续性方程、颗粒轨道模型、数值求解方法及定解条件,对下行床气固两相流动进行了数值计算。计算中下行床中的气相体作为连续相,其中的湍流输运模型采用标准κ-ε双方程模型。计算得到了下行段三个不同截面的气固流动分布状况,分布状况表明在下行床入口段固体颗粒集中在中心处附近,随着向下流动,固体颗粒扩散,中心处颗粒浓度降低,截面平均颗粒体积份额也降低。 本文应用电容层析成像的方法首次测量了下行床下行段固体颗粒浓度分布情况。采用低介电系数物质进行标定以提高显示图像信号强度的方法。测量结果表明,该方法可以用于测量气固两相流低颗粒体积份额（<0.1%）情况。实验测量结果与采用颗粒轨道模型计算的颗粒分布吻合较好,反映了在二次风量一定条件下,随固体颗粒质量流量的增高,颗粒体积份额增大的规律,以及固体颗粒质量流量一定,随二次风量的增大,颗粒体积份额减小的规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 前言
• 1.1 过程层析成像技术发展背景
• 1.2 过程层析成像系统的组成
• 1.3 过程成像技术的基本原理
• 1.4 过程成像技术的分类及研究现状
• 1.5 电容层析成像系统的研究现状
• 1.6 本文的主要内容
• 第二章 电容层析成像技术算法研究
• 2.1 电容层析成像工作原理
• 2.1.1 电容层析成像测量原理
• 2.1.2 传感器电势场的计算求解
• 2.1.3 敏感场的求解
• 2.2 电容层析成像算法
• 2.2.1 非迭代算法
• 2.2.2 迭代算法
• 2.3 图像重建效果的评价参数
• 2.4 仿真实验结果分析比较
• 2.5 电容层析成像技术在测量旋转桶体内液/固流动的应用
• 2.5.1 混合流动实验装置介绍
• 2.5.2 测量结果
• 2.5.3 应用迭代算法得到的旋转桶体内对应流动情况
• 2.6 小结
• 第三章 顺重力场循环流化床发展概述
• 3.1 下行床概述
• 3.2 下行床的流动分区
• 3.3 下行床局部颗粒浓度径向分布
• 3.4 下行床研究内容
• 3.5 小结
• 第四章 下行床气固流动的数值计算
• 4.1 下行床内颗粒扩散过程数学模型
• 4.2 气体连续相数学模型
• 4.3 颗粒轨道模型
• 4.4 数学模型的求解方法及定解条件
• 4.5 下行床模拟结果及分析
• 4.6 计算结果分析
• 4.6.1 给定二次风流量，不同固体流量对径向颗粒体积份额分布影响
• 4.6.2 给定二次风流量，不同固体流量对截面平均颗粒体积份额的影响
• 4.7 小结
• 第五章 ECT测量技术在顺重力场循环流化床工业应用
• 5.1 下行床实验装置概述
• 5.2 下行床测试管段的描述
• 5.3 利用低介电参数物质进行标定的研究
• 5.4 下行床测试管测试结果
• 5.4.1 给定二次风量，不同固体颗粒流率情况下的瞬时测量结果
• 5.4.2 不同风量，不同固体颗粒流率情况下的测量平均值
• 5.4.3 典型工况下A-A、B-B截面测量的固体颗粒体积份额分布三维图
• 5.5 小结
• 第六章 结论与建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表文章
• 致谢