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惯性淘析器内气固两相流动的数值模拟与实验研究

作　者: 朱京勇
导　师: 王立新
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 惯性淘析器数值模拟 FLUENT 两相流
分类号: TQ019
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文从理论模型、数值模拟和实验研究三个方面分析研究了惯性淘析器内气固两相流动的特性。采用FLUENT6.2模拟了淘析器内气相流场结构及固体颗粒运动行为，得到了气相速度场、压力场分布及颗粒的运动轨迹，分析了影响分级效率的结构因素，为抑制器内气体的不规则湍动和防止成品粒料溢出提供了理论依据。以数值模拟结果为指导，设计制造了高效的BIE(Bounced Inertia Elutriator)型淘析器实验设备，搭建新型惯性淘析器实验台，进行了相关流场测试与实验研究。所作主要研究工作如下：1、对惯性淘析器内气固两相流动中的颗粒进行受力分析，探讨了各种作用力对颗粒运动的影响程度。建立模型时，对气相场采用欧拉法，建立雷诺时均方程组，为使方程组封闭，引入k-ε双方程模型；对固相运动的描述则采用基于拉格朗日法的随机轨道模型。气固相的耦合问题采用四向耦合来处理，不仅考虑颗粒和气相的相互影响，还考虑了颗粒之间及颗粒与壁面间的碰撞。2、在GAMBIT 2.2中建立了惯性淘析器的几何模型并对其划分网格，提出了一种进行纵向分区划分混合网格的新方法。在FLUENT 6.2中，用基于雷诺时均方程法的标准k-ε模型对UGS型淘析器湍流场进行了数值模拟。针对UGS型淘析器各部分的改进需求设计了五个试验方案，并一一做出了模拟分析，这些探索研究为新型淘析器的开发提供了思路。设计了BIE型淘析器并对其流场进行模拟验证，计算结果表明：连接加速段和渐扩口径的内筒，有效地消除了对流段顶部环隙的短路流和死旋涡，避免了对冲气流的相互扰动；通过调整分离段长度和直径，增大了气流对颗粒的剪切力，增加了粒料的停留时间；在淘析区，下移进气位置并加入两层格栅后，该区域气流更加匀称规整，导流格栅的整流效果明显，加强了气流对粒料的淘析作用。3、在气相流场模拟的基础上，用相间耦合的随机轨道模型对两种惯性淘析器内的颗粒运动行为进行模拟，预测了不同粒径颗粒的运动轨迹，分析了颗粒在器内的速度分布情况。通过对颗粒轨迹的分析，找到了设备结构对颗粒运动行为的影响规律，BIE型淘析器独特的内构件设计有效的提高了颗粒运动的可控性。用基于颗粒追踪法的分级效率表征了两种淘析器在三种工况下的分级性能。4、测试了BIE型淘析器内不同位置的轴向速度和静压分布，测试值与模拟值吻合较好，数值模拟结果是可信的。以工业生产中的高压聚乙烯粒料为实验物料，对UGS型和BIE型淘析器进行了分离性能的测试实验，分级效率的实验值与模拟值基本一致，这说明用颗粒追踪法模拟计算分级效率是有意义的。实验结果表明，BIE型淘析器的综合分级效率比UGS型高28％左右。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
前言  13-14
第一章绪论  14-35
  1.1 本课题的研究背景  14-15
  1.2 颗粒分级研究进展  15-22
    1.2.1 分级原理  15
    1.2.2 分级指标  15-17
    1.2.3 分级的关键问题  17-18
    1.2.4 典型分级设备  18-22
  1.3 惯性淘析器分级原理  22-23
    1.3.1 惯性淘析器的工作原理  22-23
    1.3.2 现有淘析器存在的问题  23
  1.4 气固两相流动数值模拟的研究进展  23-33
    1.4.1 湍流流动的数值模拟方法  23-26
    1.4.2 气固两相湍流模型的研究进展  26-30
    1.4.3 固体颗粒相在气相流场中的流动特性  30-33
  1.5 本研究的目的、意义和内容  33-35
    1.5.1 项目研究的目的和意义  33-34
    1.5.2 项目研究的内容  34
    1.5.3 项目研究的创新之处  34-35
第二章淘析器内气固两相流动模型的建立  35-55
  2.1 方法选择与基本假设  35-36
  2.2 气固流动中颗粒受力分析  36-40
  2.3 气相输运方程  40-44
  2.4 固相输运方程  44-49
    2.4.1 颗粒运动方程  44-45
    2.4.2 颗粒受力模型  45-49
  2.5 相间藕合的随机轨道模型  49-54
    2.5.1 颗粒与流体动量方程的耦合  50-51
    2.5.2 颗粒与流体湍能之间的耦合  51-53
    2.5.3 颗粒与湍流相互作用时间  53-54
  2.6 本章小结  54-55
第三章气相流场的数值模拟  55-76
  3.1 淘析器几何模型建立与网格划分  55-57
  3.2 淘析器数值模拟方法选择  57-60
    3.2.1 数值计算方法的确定  57
    3.2.2 求解器的选择  57-58
    3.2.3 动量方程离散格式和压力插补格式的选择  58-59
    3.2.4 压力-速度耦合方程的离散  59-60
    3.2.5 边界条件设置  60
  3.3 计算监控图  60-62
  3.4 设计模拟方案  62-63
  3.5 模拟结果分析与讨论  63-75
    3.5.1 UGS型淘析器流场分布分析  63-67
    3.5.2 试验方案模拟分析  67-71
    3.5.3 新型淘析器流场分布分析  71-75
  3.6 本章小结  75-76
第四章颗粒运动轨迹模拟预测  76-87
  4.1 初始条件与边界条件  76-77
    4.1.1 初始条件设置  76
    4.1.2 边界条件设置  76-77
  4.2 颗粒运动轨迹  77-83
    4.2.1 UGS内颗粒运动轨迹  77-78
    4.2.2 BIE内颗粒运动轨迹  78-79
    4.2.3 颗粒速度矢量图  79-81
    4.2.4 颗粒速度曲线  81-83
  4.3 分离性能预测  83-85
    4.3.1 分离性能计算方法  83-84
    4.3.2 预测结果与讨论  84-85
  4.4 本章小结  85-87
第五章流场测试与分离实验研究  87-101
  5.1 BIE型淘析器流场测试  87-94
    5.1.1 热线热膜风速仪简介  87-89
    5.1.2 探针校准过程  89-90
    5.1.3 数据采集过程  90-91
    5.1.4 静压测量  91
    5.1.5 测试结果与讨论  91-94
  5.2 淘析器分离效率测试实验  94-100
    5.2.1 实验装置  94-96
    5.2.2 实验物料分析  96-97
    5.2.3 实验步骤  97-98
    5.2.4 实验结果与讨论  98-100
  5.3 本章小结  100-101
结论  101-103
参考文献  103-108
附录1 颗粒球形度计算数据  108-109
附录2 静压与轴向速度实验数据  109-111
附录3 分离效率实验数据  111-112
致谢  112-113
攻读学位期间发表的学术论文目录  113-114

惯性淘析器内气固两相流动的数值模拟与实验研究

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