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稠密气固两相流双流体大涡数值模拟研究

作　者: 尹丽洁
导　师: 陆慧林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 稠密气固两相流大涡模拟双流体模型数值模拟异相反应
分类号: TQ021.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着计算机技术和计算方法的不断发展,数值模拟方法已成为研究气固两相流动的重要方法之一。不断完善数值模拟方法,对深入研究气固两相流动的复杂机理以及影响因素有重要的意义。大涡模拟（LES）同时包含了直接数值模拟（DNS）和雷诺平均法（RANS）的思想,与DNS相比,LES可以用于模拟较高的Reynold数和较复杂的几何结构的流动,与RANS相比可获得更多的脉动信息,在湍流的数值模拟研究中有着重要的发展前景。目前,大涡数值模拟方法在单相流中已有较成熟的应用,在气固两相流中的应用尚需进一步的研究。本文采用体积分数加权平均方法,对气固两相流的输运方程进行过滤。考虑气相不可解尺度湍流和可解尺度湍流之间的动量输运,建立了考虑颗粒相浓度影响的气相亚格子粘度模型;基于颗粒动理学理论,根据Smagorinsky涡粘模型,考虑过颗粒相不可解尺度湍流和可解尺度湍流之间的动量输运,推导了颗粒相亚格子粘度模型;采用涡扩散模式,提出了颗粒相亚格子热传导系数方程,封闭了可解尺度拟颗粒温度方程;考虑了高颗粒浓度下介观尺度的影响,修正了颗粒相亚格子压力方程。建立了稠密气固两相流双流体大涡数值模拟（LESg-θ-LESp）模型。应用稠密气固两相流双流体大涡数值模拟模型,研究了鼓泡流化床内气固两相流动特性。模拟观察到了鼓泡流化床中气泡的长大、合并和破碎的运动过程。模拟结果得到了床内颗粒相时均可解尺度速度和脉动速度等分布,与Yuu等实测结果相吻合;得到了床内颗粒相时均浓度分布,与Taghipour等实测结果相吻合。研究发现不考虑颗粒相的亚格子尺度时,在床层中形成了较大的气泡,随着Cs的增加,气泡数量逐渐增加,平均气泡直径逐渐减小,时均可解尺度拟颗粒温度减小,颗粒浓度在床层中心处逐渐增加而在边壁处降低,时均滑移速度在床层中心处减小而在边壁处增加;随着颗粒浓度的增加,颗粒相亚格子尺度粘度和热传导系数减小,而颗粒相亚格子尺度压力增大。应用稠密气固两相流的双流体大涡模拟模型,研究了提升管内的气固两相流动特性。通过模拟结果可观察到提升管内的环-核流动结构,得到提升管内的时均颗粒相浓度、速度等分布,模拟结果与Knowlton等实测结果基本吻合。随着颗粒浓度的增加,可解尺度和亚格子尺度下的时均颗粒相的粘度和热传导系数逐渐增加,可解尺度下的时均颗粒相压力先增加,后减小,亚格子尺度下的时均颗粒相压力增加;随着Cs的增加,在床层中心区域,时均颗粒相浓度增加,气相和颗粒相可解尺度速度、颗粒脉动速度以及颗粒相可解尺度拟颗粒温度降低,在边壁区域变化趋势相反;有效时均颗粒相粘度和颗粒相热传导系数随Cs的增加而增加,有效时均颗粒相压力和颗粒湍动能随Cs的增加而减小;对曳力系数进行修正后时均颗粒相浓度、可解尺度拟颗粒温度、床层压降升高,气相和颗粒相可解尺度速度有所降低,但幅度很小,有效时均颗粒相粘度、颗粒相热传导系数和有效时均颗粒相压力增加。采用稠密气固两相流双流体大涡模拟模型,研究了化学链燃烧（CLC）反应器内的气固两相流动特性,研究发现,空气反应器和燃料反应器中的颗粒浓度呈现中间稀、边壁浓,下浓上稀的分布趋势,形成局部环-核流动的非均匀结构,其流动结构分别与单个提升管和鼓泡流化床类似。采用异相化学反应模型,研究了无载氧体循环的燃料反应器中CH₄和NiO之间的催化燃烧反应,研究发现,随着时间的推移,燃料反应器中的NiO不断被还原为Ni,Ni、CO₂和H₂O的含量逐渐增多,但是由于反应器温度的降低和NiO含量的减少,使得化学反应速率逐渐减慢,导致Ni以及CO₂和H₂O增加的速度减慢,料层中CH₄的含量逐渐增多。此外,由于此反应为体积增大的反应,在流化过程中,湍动更加剧烈,由于气泡的携带作用,燃料反应器顶部自由空间区域的CH₄含量略高于料层上部,而CO₂和H₂O的含量低于料层上部。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-33
  1.1 引言  16
  1.2 流化床的应用与发展  16-20
    1.2.1 流态化  16
    1.2.2 鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性  16-17
    1.2.3 循环流化床内气体-颗粒流动特性  17-18
    1.2.4 耦合反应器  18-20
  1.3 气固两相流动数值模拟方法  20-27
    1.3.1 气固两相流动中气相湍流的数值模拟方法  20-22
    1.3.2 气固两相流动中颗粒相的数值模拟  22-23
    1.3.3 气固两相流动中相间相互作用的封闭  23-24
    1.3.4 数值模拟方法在气固两相流研究中的应用  24-27
  1.4 大涡数值模拟方法  27-31
    1.4.1 大涡数值模拟方法的发展  27-28
    1.4.2 滤波  28-29
    1.4.3 亚格子应力模型  29-30
    1.4.4 大涡数值模拟方法在气固两相流中的应用  30-31
  1.5 本文研究的主要内容  31-32
  1.6 本章小结  32-33
第2章稠密气固两相流双流体大涡模拟模型  33-42
  2.1 引言  33
  2.2 双流体大涡模拟的数学模型  33-40
    2.2.1 气相质量和动量守恒方程  34-36
    2.2.2 颗粒相质量和动量守恒方程  36-38
    2.2.3 拟颗粒温度方程  38-39
    2.2.4 气固相间作用力  39-40
  2.3 边界条件  40-41
  2.4 本章小结  41-42
第3章鼓泡流化床内气固两相流动特性模拟  42-66
  3.1 引言  42
  3.2 计算模型及初始、边界条件  42-44
  3.3 计算结果与讨论  44-64
    3.3.1 计算模型分析  44-45
    3.3.2 空间网格尺寸的敏感性分析  45-46
    3.3.3 颗粒浓度随时间的变化  46-47
    3.3.4 气泡的聚并与破裂  47-50
    3.3.5 气泡的尺寸  50-51
    3.3.6 气泡的上升速度  51-52
    3.3.7 与Yuu 等实验结果的对比  52-56
    3.3.8 与Taghipour 等实验结果的对比  56-59
    3.3.9 模型系数Cs 的影响  59-62
    3.3.10 气相粘度与浓度的关系  62-63
    3.3.11 颗粒相粘度与浓度的关系  63
    3.3.12 颗粒相热传导系数与浓度的关系  63-64
    3.3.13 颗粒相压力与浓度的关系  64
  3.4 本章小结  64-66
第4章提升管内气固两相流动特性模拟  66-92
  4.1 引言  66
  4.2 数学模型和计算模型及边界条件  66-67
  4.3 计算结果及讨论  67-90
    4.3.1 瞬时颗粒相浓度分布  67-68
    4.3.2 瞬时颗粒相和气相的速度分布  68-70
    4.3.3 与Knowlton 等实验结果的对比  70-71
    4.3.4 时均颗粒相和气相的速度分布  71-73
    4.3.5 时均颗粒浓度分布  73
    4.3.6 时均颗粒粘度与浓度的关系  73-75
    4.3.7 时均颗粒相热传导系数与浓度的关系  75
    4.3.8 时均颗粒相压力与浓度的关系  75-76
    4.3.9 模型系数Cs 对模拟结果的影响  76-83
    4.3.10 曳力系数的影响  83-90
  4.4 本章小结  90-92
第5章化学链反应器内气固两相流动和反应特性的数值模拟  92-119
  5.1 引言  92
  5.2 数学模型  92-95
    5.2.1 流动模型  92-95
    5.2.2 化学反应模型  95
  5.3 化学链反应器流动特性研究  95-103
    5.3.1 计算模型及初始、边界条件  95-97
    5.3.2 瞬时颗粒流率  97-99
    5.3.3 瞬时颗粒浓度分布  99
    5.3.4 时均颗粒浓度分布  99-101
    5.3.5 时均颗粒速度分布  101-103
  5.4 无载氧体循环的燃料反应器内反应特性研究  103-117
    5.4.1 计算模型及初始、边界条件  103-105
    5.4.2 瞬时颗粒浓度分布  105-106
    5.4.3 瞬时颗粒相和气相速度分布  106-107
    5.4.4 瞬时气相各组分浓度分布  107-109
    5.4.5 瞬时气相可解尺度温度的分布  109-110
    5.4.6 气相各组分质量分数随时间的变化  110-111
    5.4.7 颗粒相Ni 的质量分数随时间的变化  111
    5.4.8 颗粒相Ni 的质量分数沿径向分布  111-112
    5.4.9 颗粒相可解尺度温度沿径向分布  112-113
    5.4.10 气相各组分质量分数沿径向分布  113-116
    5.4.11 气相温度沿径向分布  116-117
  5.5 本章小结  117-119
结论  119-122
参考文献  122-137
攻读学位期间发表的论文及其它成果  137-140
致谢  140-141
个人简历  141

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