稠密气固两相流颗粒聚团流动与反应特性的数值模拟研究

论文摘要

稠密气固两相流动是多相流动的一个主要研究方向,而颗粒团聚是气固两相流动中稠密流动条件下的一种重要现象。但是,由于气固两相流动影响因素的复杂性,气固两相流动的机理尚不十分清楚。随着计算机技术的飞速发展和计算方法的不断改进和完善,结合计算数学和计算流体力学的数值模拟技术,以其独特的优点已经成为气固两相流动研究的主要方法。本文建立了离散颗粒运动—碰撞解耦模型,模型中应用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）模拟颗粒间的碰撞过程。基于气相输送能量守恒,建立了以输送能分配确定气相欧拉坐标与颗粒相拉格朗日坐标耦合的计算方法,提出了确定颗粒当地局部气体速度的计算模型。该计算方法考虑了在计算网格气体作用的贡献,同时也考虑了颗粒的空间分布和局部颗粒浓度的影响。从而合理地反映颗粒聚团导致局部颗粒浓度分布不均对当地气体速度的影响。基于分子动力学和颗粒动理学,应用颗粒平均自由程,导出了确定颗粒聚团中颗粒数的计算方法。应用考虑颗粒碰撞过程中弹性变形和塑性变形的颗粒非弹性碰撞恢复系数,模拟颗粒的碰撞过程。采用了引入径向分布函数的颗粒间碰撞概率的计算方法,考虑局部颗粒浓度不均匀性对颗粒碰撞概率的影响。采用大涡模拟（LES）研究气相湍流。应用了子网格技术进行颗粒碰撞对的抽样,采用此技术可以减小计算工作量并且减小计算网格内颗粒浓度不均匀性对颗粒碰撞概率计算的影响。应用LES-DSMC方法模拟了循环流化床上升管内气固两相流动特性,得到了时均颗粒速度和浓度的分布情况,以及单颗粒的运动规律。研究了气体表观速度和颗粒碰撞弹性恢复系数对团聚物存在时间、平均颗粒浓度、生成频率以及两相流流动特性的影响。研究了颗粒聚团和分散颗粒的颗粒温度和颗粒碰撞频率随颗粒浓度的变化规律。研究表明分散颗粒的颗粒温度随颗粒浓度增加,达到最大值后,随颗粒浓度增大而下降。而颗粒聚团的颗粒温度随着颗粒浓度增加而下降。随着颗粒浓度的增加,颗粒聚团的颗粒碰撞频率和分散颗粒的碰撞频率增加,模拟计算值低于颗粒动理学计算值。随着颗粒浓度的增加,聚团内的颗粒数增加。与分散颗粒相比,颗粒聚团具有大的脉动能量。同时颗粒团聚将增加颗粒的停留时间。建立了一维非稳态球形颗粒群燃烧模型,模拟了静态下煤粉颗粒团的着火和燃烧过程,同时给出了颗粒团的结构参数和环境参数对着火和燃烧的影响。颗粒群燃烧数G小于60时,煤粉颗粒团的着火先是异相着火,而当颗粒群燃烧数G大于60时,煤粉颗粒团的着火先是均相着火。随着煤粉聚团的颗粒浓度的增加,煤粉聚团的着火延迟先减小后增加。煤粉颗粒尺寸的增加和外部温度的降低会明显延迟均相着火,但是对颗粒团的燃烧速率影响不大。环境氧气浓度的增加会减小着火延迟,加快颗粒团的燃烧速率。建立碳颗粒聚团燃烧反应模型,数值模拟气体流过碳颗粒聚团的燃烧过程,分析聚团空隙率、进口气体速度、进口气体温度和活化能等对碳颗粒聚团燃烧过程的影响,分析了颗粒聚团内不同位置的颗粒所消耗的碳量的变化规律。模拟结果表明碳颗粒聚团内沿来流方向温度以及CO和CO2含量逐渐升高,O2含量逐渐降低。碳颗粒聚团燃烧消耗的碳量随着聚团空隙率、进口气体速度和进口气体温度的增加而增加,随活化能的增加而减少。研究碳颗粒聚团轴向方向NO和N2O的变化规律,碳颗粒的团聚可有效降低燃烧过程中NO和N2O的排放。研究颗粒聚团和孤立单颗粒所受到的气动力的变化,获得了颗粒聚团的阻力系数与孤立单颗粒的阻力系数的比值的变化规律。孤立单颗粒所受到的气动力高于聚团中任何单颗粒。颗粒聚团的阻力系数与孤立单颗粒的阻力系数的比值随聚团空隙率的增加而趋近于1。采用动态分层动网格更新方法,对颗粒团聚过程中气体对颗粒聚团作用力进行了数值模拟。计算表明在颗粒团聚过程中,气体作用在颗粒聚团上的气动力逐渐减小,直至颗粒聚团后所具有的气动力为最小。颗粒团聚将明显降低气体与颗粒之间的作用。建立了石灰石颗粒聚团脱硫化学反应过程数学模型,数值模拟了气体流过石灰石颗粒聚团的脱硫过程,分析了聚团空隙率、进口气体速度和温度对石灰石颗粒聚团和孤立单石灰石颗粒脱除SO2的影响。石灰石颗粒聚团吸收的SO2的量随聚团空隙率和进口气体速度的增加而增加,石灰石颗粒的比表面积与煅烧温度有关,在温度低于1253K时,比表面积随温度的增加而减少,但脱硫反应速率随温度的升高而增加,综合考虑以上两个因素,脱硫反应速率随温度的增加先增加后减少,孤立单颗粒吸收SO2的量高于聚团中任一单颗粒。研究了石灰石颗粒聚团对脱除NO的影响,石灰石颗粒的团聚可降低NO的排放。建立了萘颗粒聚团传热传质过程数学模型,数值模拟了气体流过萘颗粒和萘颗粒聚团的传热传质过程,分析了聚团空隙率、进口气体速度和温度对颗粒聚团传热传质过程的影响。对气流中孤立单颗粒的传热传质模拟计算表明,模拟结果与现有关联式预测的结果相吻合的。随着入口气体流速的增加,气体对颗粒聚团的对流换热系数和传质系数增加。随着颗粒聚团空隙率的增大,气体与颗粒聚团之间的对流换热系数和传质系数增加。随着颗粒聚团中颗粒数的增加,气体与颗粒聚团之间的对流换热系数和传质系数下降。颗粒团聚将降低气体与颗粒之间的对流换热系数和传质系数,进而降低气体与颗粒之间的传递能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 整体流动结构
• 1.2.1 轴向流动结构
• 1.2.2 径向流动结构
• 1.3 局部流动结构
• 1.3.1 颗粒聚团流动形态
• 1.3.2 颗粒聚团的表征
• 1.4 气固两相流动数值模拟
• 1.4.1 双流体模型
• 1.4.2 确定性离散颗粒模型
• 1.4.3 随机性离散颗粒模型
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 稠密气固两相流中气体-颗粒-颗粒聚团流动的Euler-Lagrangian 计算模型
• 2.1 引言
• 2.2 气固两相流动数学模型
• 2.2.1 气相控制方程
• 2.2.2 离散颗粒运动碰撞解耦方程
• 2.2.3 颗粒碰撞对的搜索方法
• 2.2.4 颗粒碰撞动力学方程
• 2.2.5 空隙率的计算
• 2.2.6 气固两相间作用力的耦合
• 2.3 气相欧拉坐标与颗粒相格朗日坐标的耦合
• 2.3.1 面积加权平均法
• 2.3.2 输运能量加权平均法
• 2.4 数值方法和边界条件
• 2.4.1 交错网格
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 本章小结
• 第3章 循环流化床内气体－颗粒－聚团流体动力特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型和条件
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 颗粒和颗粒团聚物的流动行为
• 3.3.2 瞬时颗粒浓度的变化
• 3.3.3 时均颗粒浓度的分布
• 3.3.4 瞬时颗粒速度的变化
• 3.3.5 时均颗粒速度的分布
• 3.3.6 单颗粒运动过程的分析
• 3.3.7 颗粒团聚物的流动特性
• 3.3.8 颗粒聚团内颗粒数的确定方法
• 3.3.9 颗粒聚团内的颗粒数和颗粒温度
• 3.3.10 颗粒碰撞频率与颗粒浓度的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 静态下煤粉颗粒群燃烧过程的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 煤粉颗粒聚团的群燃烧模型
• 4.2.1 气相守恒方程
• 4.2.2 固相控制方程
• 4.2.3 挥发份析出模型
• 4.2.4 焦炭异相反应模型
• 4.2.5 气相反应
• 4.2.6 初始值、边界条件和计算方法
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 颗粒团燃烧过程
• 4.3.2 煤粉浓度的影响
• 4.3.3 颗粒尺寸的影响
• 4.3.4 环境温度的影响
• 4.3.5 氧气浓度的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 循环流化床内碳颗粒聚团燃烧反应特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 气体－碳颗粒聚团的流动和反应模型
• 5.2.1 碳颗粒聚团的燃烧反应模型
• 5.2.2 计算对象和边界条件
• 5.3 颗粒聚团阻力系数
• 5.4 颗粒对颗粒聚团的作用
• 5.5 颗粒聚团内气体温度和浓度的变化
• 5.6 温度对颗粒聚团反应的影响
• 5.7 进口气体速度对颗粒聚团反应的影响
• 5.8 进口氧气浓度对颗粒聚团反应的影响
• 5.9 颗粒聚团空隙率对反应过程的影响
• 5.10 颗粒直径对聚团反应过程的影响
• 5.11 碳颗粒物性对聚团反应过程的影响
• 5.12 本章小结
• 第6章 循环流化床内石灰石颗粒聚团脱硫影响因素的分析
• 6.1 引言
• 6.2 石灰石颗粒聚团脱硫反应过程的数学模型
• 6.2.1 气相守恒方程
• 6.2.2 二氧化硫反应计算模型
• 3 反应的数学模型'>6.2.3 NH₃反应的数学模型
• 6.2.4 计算边界条件
• 2 排放量影响的分析'>6.3 石灰石颗粒聚团对SO₂排放量影响的分析
• 6.3.1 温度的影响
• 6.3.2 进口气体速度的影响
• 6.3.3 空隙率的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 循环流化床内气体与颗粒聚团间传热传质特性的研究
• 7.1 引言
• 7.2 气体与颗粒聚团的传热传质计算模型
• 7.3 气体与颗粒聚团间的传热传质特性分析
• 7.3.1 颗粒聚团的气体流量分布
• 7.3.2 气体与颗粒聚团之间对流换热系数的变化规律
• 7.3.3 气体与颗粒聚团之间传质系数的变化规律
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历