粗糙颗粒动理学及流化床气化炉的数值模拟研究

论文摘要

气固两相流动现象广泛存在于化工、电力、冶金、食品、制药等领域中,深入认识和掌握气固两相流动的内在机理和规律有着重要的实际意义。随着计算机技术和计算方法的不断发展,数值模拟已成为气固两相流动研究的主要方法之一。但是由于气固系统本身的复杂性,气固两相流动模拟的理论模型仍然有许多值得改进和提高之处。气固两相流动中,颗粒表面具有不同的粗糙程度,粗糙颗粒在碰撞和湍流等作用下会产生旋转运动。实验和理论模拟结果均表明颗粒旋转会影响颗粒的运动轨迹、浓度分布以及其它各种宏观和微观参数。但遗憾的是,目前颗粒动理学理论是基于光滑颗粒假设而来,在理论推导过程仅考虑颗粒的平动运动,未考虑颗粒的转动运动。基于此,有必要发展粗糙颗粒动理学并应用于气固两相流动模拟。本文从颗粒动理学基本原理出发建立了粗糙颗粒动理学模型。传统的颗粒动理学理论仅采用了平动拟颗粒温度来描述颗粒脉动的强弱,在本文中引入了颗粒拟总温的概念,颗粒拟总温综合表征了颗粒平动运动和颗粒旋转运动的脉动强度。结合输运理论建立了考虑颗粒旋转的颗粒相质量、动量和拟总温守恒方程。对颗粒速度分布函数采取Chapman-Enskog近似线性求解方法,求解了在同时具有平动和转动运动时的颗粒相应力、热流通量及能量耗散等参数。并在此基础上提出了颗粒相压力、颗粒相剪切粘度和颗粒相耗散等本构关系式,以及边界条件计算模型。应用粗糙颗粒动理学模型,数值模拟鼓泡床内的气固两相流动特性。以Yuu等和Taghipour等的实验结构尺寸和条件进行数值模拟,模拟结果显示采用粗糙颗粒动理学模型时气泡直径和床层膨胀率均增大。模拟得到了床内颗粒相时均速度和脉动速度分布与Yuu等实测结果相吻合。得到了床内时均颗粒浓度分布、速度分布以及床层膨胀率的大小接近于Taghipour等实测结果。同时通过改变切向弹性恢复系数,分析对比了不同的切向弹性恢复系数下颗粒拟总温、剪切粘度、体积粘度、颗粒压力以及热传导系数随颗粒相浓度的变化规律。应用粗糙颗粒动理学模型,数值模拟提升管内的气固两相流动特性。模拟结果表明提升管内颗粒浓度分布沿床层轴向上稀下浓,沿床层径向中间稀边壁浓的分布。同时在提升管内可以清楚的观测到颗粒团聚物的形成、运动及消失。在高质量流率时,模拟得到了时均颗粒径向浓度、时均颗粒径向质量流率以及床层压降的分布与Knowlton等的实验测量吻合较好。在低质量流率时,模拟得到了颗粒相浓度、速度以及质量流率的分布与Miller等实测结果相吻合。与传统颗粒动理学相比,由于粗糙颗粒动理模型考虑旋转运动造成的能量损失等原因,增加了壁面处的颗粒浓度,而在中心区域浓度降低,沿径向方向颗粒速度变小。同时分析了不同切向弹性恢复系数下提升管内浓度和速度等宏观参数的变化,以及颗粒拟总温、剪切粘度、耗散等微观参数的变化,结果表明不同的切向弹性恢复系数下模拟得到的各参数分布趋势一致。建立了考虑颗粒旋转的粗糙颗粒动理学-煤气化反应的气固流动-反应计算模型,数值模拟流化床煤气化反应和中心射流流化床流动-反应过程。模拟结果与他人实验测量相吻合。模拟结果表明在流化床反应器底部,气固异相燃烧反应生成大量的二氧化碳,一氧化碳和氢气等可燃气体体积浓度非常低。伴随着床层升高氧气被耗尽,还原反应开始占据主导,二氧化碳体积浓度逐渐下降,一氧化碳和氢气等气体体积浓度逐渐增加。结果表明均匀入口流化床反应器床层底部由于燃烧反应使得温度上升比较明显。在床层上部虽然还原反应吸收热量,但是由于床内气泡强烈搅动作用,使得流化床上部温度较为均匀。在中心射流流化床中,中心射流区域形成局部高温区域,边壁区域温度相对较低,床内温度分布的不均匀性有助于床内煤颗粒的氧化-还原过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流化床内气固两相流数值模拟方法
• 1.2.1 气固两相流动欧拉双流体模型
• 1.2.2 颗粒动力学
• 1.3 气固两相流动过程中颗粒旋转的研究
• 1.3.1 颗粒旋转形成及影响
• 1.3.2 两相流中颗粒旋转的实验研究
• 1.3.3 两相流动中颗粒旋转的数值模拟研究
• 1.4 流化床煤粉气化
• 1.4.1 煤粉气化技术
• 1.4.2 流化床气化技术的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 高颗粒浓度气固两相流动模型
• 2.1 引言
• 2.2 考虑颗粒旋转的粗糙颗粒碰撞动力学
• 2.3 粗糙颗粒动力学（KTRS）模型
• 2.3.1 粗糙颗粒输运方程
• 2.3.2 粗糙颗粒动力学本构方程
• 2.3.3 气相守恒方程
• 2.3.4 气相湍流方程
• 2.4 边界条件
• 2.5 本章小结
• 第3章 鼓泡床气固两相流体动力特性的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型及初始和边界条件
• 3.3 Yun 等实验工况计算结果与讨论
• 3.3.1 实验及模拟条件
• 3.3.2 颗粒时均轴向和径向速度模拟与实验对比
• 3.3.3 时均颗粒径向与轴向脉动速度模拟与实验对比
• 3.4 Taghipour 等实验工况计算结果与讨论
• 3.4.1 实验及模拟条件
• 3.4.2 网格敏感性分析
• 3.4.3 瞬时气泡分布
• 3.4.4 瞬时颗粒速度矢量分布
• 3.4.5 鼓泡床内气泡尺寸和膨胀率实验模拟对比
• 3.4.6 气泡的上升速度
• 3.4.7 颗粒时均浓度模拟结果与实验的对比
• 3.4.8 气体和颗粒时均速度分布
• 3.4.9 轴向时均颗粒浓度分布
• 3.4.10 瞬时空隙率随时间的变化
• 3.4.11 颗粒平动和旋转拟温度分析
• 3.4.12 切向弹性恢复系数的影响分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 提升管内气固两相流动特性的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及边界条件
• 4.3 高质量流率提升管内流动特性与分析
• 4.3.1 实验及模拟条件
• 4.3.2 提升管内的浓度和速度分布
• 4.3.3 模拟与实验的对比与分析
• 4.3.4 颗粒拟总温随固相浓度的分布
• 4.3.5 颗粒能量耗散和粘度随固相浓度的分布
• 4.3.6 曳力系数的影响
• 4.4 低质量流率提升管内流动模拟与分析
• 4.4.1 实验及模拟条件
• 4.4.2 瞬时颗粒相浓度分布
• 4.4.3 瞬时颗粒相和气相的速度分布
• 4.4.4 瞬时颗粒浓度随时间的变化
• 4.4.5 瞬时颗粒速度的随时间的变化
• 4.4.6 时均颗粒浓度模拟与实验对比
• 4.4.7 时均颗粒速度与质量流率模拟与实验对比
• 4.4.8 颗粒切向弹性恢复系数的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 流化床气化炉内煤粉气化过程数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 煤粉气化的流动和反应模型
• 5.2.1 流动模型
• 5.2.2 化学反应模型
• 5.3 计算模型及初始、边界条件
• 5.4 均匀气体入口计算结果与讨论
• 5.4.1 模拟结果与实验对比
• 5.4.2 瞬时固相浓度分布
• 5.4.3 瞬时气相温度分布
• 5.4.4 瞬时气相组分体积浓度分布
• 5.4.5 时均颗粒浓度与轴向速度的分布
• 5.4.6 颗粒拟总温、耗散和粘度随固相浓度的变化
• 5.4.7 时均固相和气相温度的分析
• 5.4.8 时均气相组分体积浓度的分析
• 5.5 射流鼓泡气化床计算结果讨论
• 5.5.1 瞬时固相浓度分布
• 5.5.2 瞬时气体温度分布
• 5.5.3 瞬时气体组分体积浓度分布
• 5.5.4 时均气体和固相温度分析
• 5.5.5 时均气相组分体积浓度的分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 攻读学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历