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基于粗糙颗粒介尺度模型的流化床流动反应特性数值模拟.pdf

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摘要

摘要

在稠密气固两相流中,由于气流的扰动和颗粒的碰撞共同作用,颗粒系统

会出现聚团或气泡这样的非均匀介尺度结构,这使得气固相间曳力急剧减小,

从而影响流化床的稳定运行。因此,研究气固两相流动中的介尺度效应对理论

模型的发展及其在工程领域的应用有着十分重要的作用。而真实颗粒其表面的

粗糙特性导致碰撞过程中产生旋转效应,进而引入额外的旋转耗散,影响介尺

度结构的形成。因此,需要进一步考虑粗糙颗粒旋转效应下的介尺度结构演化

规律。

考虑粗糙颗粒碰撞及旋转对介尺度结构的影响,发展了粗糙颗粒作用下气

泡介尺度模型。在模型构建中,颗粒的粗糙和旋转特性通过粗糙颗粒动理学理

论,以固相压力和碰撞耗散的形式体现。进一步,在颗粒浓度较高时,通过在

摩擦作用区引入颗粒浓度的随机脉动,来考虑摩擦应力的介尺度效应。针对快

速流态化下气固两相流介尺度结构特点,在颗粒应力中引入介尺度聚团应力来

考虑聚团尺度脉动对碰撞过程的影响,结合颗粒碰撞旋转效应的影响,构建了

粗糙颗粒形成的聚团介尺度模型。

利用提出的气泡介尺度模型,对三维鼓泡流化床进行数值模拟,分析了介

尺度结构作用下的碰撞规律,以及颗粒粗糙特性对介尺度结构演化行为的影响。

结果表明,随着气泡的消退,系统中会引入额外的波动,进而导致颗粒碰撞耗

散增加。由于气泡扰动作用,中心区域的碰撞耗散比壁附近的碰撞耗散更显著。

考虑介尺度效应的摩擦应力比没有介尺度效应的摩擦应力波动更剧烈。研究还

发现,颗粒旋转效应在低颗粒浓度区起重要作用,使得在低颗粒浓度区气泡份

额和乳化相浓度随着切向恢复系数的增加而减小。

利用发展的模型对快速流化床进行了数值模拟,探究了快速流态化条件下

的气固分布规律,获得了粗糙颗粒聚团介尺度信息,分析了聚团尺度脉动对碰

撞和耗散过程的影响。结果表明,介尺度效应对固相应力起着重要作用,聚团

尺度脉动产生的应力相比微尺度颗粒应力贡献更大。固相压力和固相粘度的大

小在壁面附近显著增加。介尺度能量耗散与颗粒粗糙度之间满足非单调关系,

碰撞引起的能量耗散在切向恢复系数为-0.5时达到峰值。由于颗粒粗糙特性对

碰撞过程的影响,聚团直径和聚团浓度均会随着颗粒粗糙度的增大而减小。

针对大差异粒径的双组份气固两相流,基于欧拉-欧拉-拉格朗日框架,考

虑连续颗粒相与离散颗粒相之间的脉动传递作用,构建了粗糙颗粒作用下的

-I-

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

TFM-DEM(Twofluidmodel-discreteelementmethod)混合模型。利用发展的

TFM-DEM混合模型对大差异粒径双组份颗粒的流化过程进行模拟,并通过实

验进行了模型验证。结果表明,发展的TFM-DEM混合模型,可以很好地描述

大差异粒径双组份颗粒的流化混合过程。考虑固-固相间脉动传递后,燃料颗

粒的下沉速度降低,预测出的燃料颗粒在床层内分布与实验更吻合。而忽略脉

动传递后,会影响床料颗粒向燃料颗粒的能量输运,导致燃料颗粒的脉动能减

小,床料颗粒的脉动能增加。

将TFM-DEM混合模型拓展到流化床反应过程,模拟了生物质富氧气化反

应,得到了反应过程中燃料颗粒的粒径和气体产物在床层内的分布规律。结果

表明,未反应的生物质由于粒径较大,难以穿过堆积状态的颗粒,因此集中在

床层表面。床料颗粒粒径越大,燃料颗粒分布沿床层高度越集中。可燃气体在

床层内分布受到两种颗粒的混合效果的影响,床料颗粒越小,生物质和床料混

合效果越好,床层内可燃气体分布越均匀。

关键词粗糙颗粒动理学;介尺度;流化床;气泡;聚团;欧拉-欧拉-拉格朗

日方法

-II-

Abstract

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Indensegas-solidtwo-phaseflow,duetothecombinedeffectofgasflow

disturban

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