应用LES-DSMC方法研究流化床气固两相流动特性

论文摘要

气固两相流动被广泛地应用于工业生产中,数值模拟以其独特的优点,成为气固两相流研究的重要手段之一。近年来,由于计算机硬件的飞速发展,直接对颗粒进行跟踪的离散颗粒模型得到了广泛的关注,此类模型将流体相处理为连续介质,颗粒相处理为独立的离散体系,由于它对颗粒相运动进行的是颗粒层次的分析,因而可以从颗粒尺度与宏观尺度模拟流化床气固两相流的多尺度结构。在离散颗粒模型中,根据对颗粒间碰撞过程的处理方法的不同可分为确定性模型和随机性模型。已有的应用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法模拟流化床内稀疏气固两相流动的研究中,均采用稀薄气体分子碰撞概率的计算方法计算气固两相流中颗粒的碰撞概率,采用层流Navier-Stokes方程模拟气相流动。然而,在高颗粒浓度下颗粒碰撞对的确定需要考虑高颗粒浓度存在的影响,同时在高颗粒浓度流化床气固两相流动中,需要考虑气体粘性的作用。本文建立了离散颗粒运动-碰撞解耦模型,模型中应用DSMC方法模拟颗粒间的碰撞过程。推导了高颗粒浓度气固两相流颗粒间碰撞概率的计算公式,引入径向分布函数来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,采用此技术可以减小计算工作量并且提高碰撞对象抽取的合理性。应用LES-DSMC方法研究了循环流化床上升管内颗粒和颗粒团聚物的流动特性。得到了时均颗粒速度和浓度的分布。分析了瞬时单颗粒的速度、位置以及颗粒所在网格的颗粒浓度随时间的变化规律。研究了气体表观速度和碰撞弹性恢复系数对气固两相流动特性以及颗粒团聚物流动特性的影响。得到了颗粒碰撞频率和颗粒温度随颗粒浓度的变化规律。得到了团聚物平均存在时间、生成频率、平均浓度的分布。由快速傅立叶变换得到的瞬时颗粒浓度波动的主频范围为0.1-1.0Hz。对瞬时颗粒浓度波动的小波多尺度分析结果表明,离散单颗粒的运动信号频率高,颗粒团聚物的运动信号频率低,壁面区域颗粒团聚物的生成频率高于中心区域。应用LES-DSMC方法研究多孔射流鼓泡流化床内颗粒和气泡的流动特性。得到了床内时均颗粒速度和浓度的分布。得到了颗粒温度随颗粒浓度的变化规律以及颗粒速度的概率密度分布。研究了气体表观速度和碰撞弹性恢复系数对两相流动特性的影响。应用快速傅立叶变换得到的瞬时颗粒浓度的功率谱密度显示流化床颗粒浓度脉动频率低,能量高,脉动主频率为0.4-1.0Hz,其值与

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气固两相流的实验研究方法
• 1.2.1 压力的测量方法
• 1.2.2 气泡行为的测量
• 1.2.3 颗粒浓度的测量
• 1.2.4 颗粒速度的测量
• 1.3 气固两相流动中气相湍流的数值模拟
• 1.3.1 统观模拟
• 1.3.2 直接数值模拟
• 1.3.3 大涡模拟
• 1.3.4 离散涡模拟
• 1.4 气固两相流动中颗粒相的数值模拟
• 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 大涡模拟和直接模拟蒙特卡罗方法原理
• 2.1 引言
• 2.2 气固两相流动中气相湍流的大涡模拟
• 2.2.1 单相流体的大涡模拟
• 2.2.2 气固两相流动的气相大涡模拟控制方程
• 2.2.3 亚格子雷诺应力的封闭
• 2.3 直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法原理
• 2.3.1 DSMC 方法的基本思想
• 2.3.2 颗粒间的碰撞概率
• 2.3.3 计算时间步长Δt 的确定
• 2.3.4 子网格技术
• 2.3.5 修正的Nanbu 方法
• 2.3.6 DSMC 方法的计算步骤
• 2.4 本章小结
• 第3章 循环流化床内气固两相流流动特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 气相控制方程
• 3.2.2 离散颗粒运动碰撞解耦模型
• 3.2.3 气固相间作用力的耦合
• 3.3 数值方法及边界条件
• 3.3.1 交错网格
• 3.3.2 气相欧拉坐标与颗粒相拉格朗日坐标的耦合
• 3.3.3 模拟参数和边界条件
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 颗粒和颗粒团聚物的流动行为
• 3.4.2 瞬时颗粒浓度随时间的变化
• 3.4.3 时均颗粒浓度的分布
• 3.4.4 瞬时颗粒速度随时间的变化
• 3.4.5 时均颗粒轴向速度和旋转速度的分布
• 3.4.6 颗粒速度的概率密度分布
• 3.4.7 颗粒温度与颗粒浓度的关系
• 3.4.8 颗粒碰撞频率与颗粒浓度的关系
• 3.4.9 单颗粒运动过程分析
• 3.4.10 颗粒团聚物的特性
• 3.4.11 瞬时颗粒颗粒浓度的功率谱密度
• 3.4.12 瞬时颗粒浓度的小波多尺度分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 鼓泡流化床内气固两相流流动特性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型和边界条件
• 4.3 试验原理
• 4.3.1 试验装置
• 4.3.2 图像采集和处理方法
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 鼓泡流化床内颗粒和气泡的流动行为
• 4.4.2 瞬时颗粒轴向和径向速度分布
• 4.4.3 时均颗粒轴相和径向速度分布
• 4.4.4 时均颗粒浓度的分布
• 4.4.5 气泡的形成、运动以及破裂
• 4.4.6 时均颗粒速度的测量
• 4.4.7 颗粒速度的概率密度分布
• 4.4.8 床内颗粒温度的瞬时分布
• 4.4.9 颗粒温度与颗粒浓度的关系
• 4.4.10 瞬时颗粒浓度随时间的变化
• 4.4.11 瞬时颗粒浓度的功率谱密度
• 4.4.12 瞬时颗粒浓度的小波多尺度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 超细颗粒气固两相流流动特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 范德华粘性力
• 5.2.2 超细颗粒运动方程
• 5.2.3 超细颗粒碰撞动力学模型
• 5.3 模拟参数和边界条件
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 超细颗粒和超细颗粒团聚物的流动行为
• 5.4.2 瞬时颗粒浓度随时间的变化
• 5.4.3 时均颗粒浓度的分布
• 5.4.4 瞬时颗粒速度随时间的变化
• 5.4.5 颗粒速度的概率密度分布
• 5.4.6 时均颗粒轴向速度分布
• 5.4.7 颗粒温度和碰撞频率随颗粒浓度的变化
• 5.4.8 单颗粒运动过程分析
• 5.4.9 超细颗粒团聚物的特性
• 5.4.10 瞬时颗粒浓度的功率谱密度
• 5.4.11 瞬时颗粒浓度的小波多尺度分析
• 5.5 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
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历