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循环流化床提升管内气固两相流的DEM数值模拟

作　者: 王猛
导　师: 朱卫兵
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 热能工程
关键词: 提升管离散单元法不均匀性颗粒团聚范德华力液桥力
分类号: O359
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为一种高效、无气泡的气固接触技术，循环流化床在催化裂化、干燥、发电、燃烧、脱硫等领域有广泛的应用，作为循环流化床的主反应器，提升管内的气固流动行为对两相之间的动量、质量和能量的传递有很大的影响。离散单元法(DEM)直接追踪每个固体颗粒的轨迹，能够更真实的反映颗粒间的作用，因此，在气固两相流问题的研究中得到了广泛的应用。本文采用离散单元法对提升管内气固流动特性进行了研究，利用标准k-ε模型引入气相的湍流作用，考虑滚动摩擦的影响，干颗粒和湿颗粒系统分别引入了范德华力和液桥力的作用。应用离散单元法模拟了提升管内的气固流动行为。首先与实验进行对比以验证程序的可行性，然后研究了提升管内均一粒径颗粒及多分散颗粒的的流动特性，此外，还考虑了表观气速和颗粒循环速率的改变对颗粒流动的影响。结果显示模拟与实验吻合较好，只是模拟值比实验值稍低。通过对均一粒径颗粒流动的模拟，结果表明：提升管内气固两相流动具有较强的不均匀性，而且都存在一定程度的返混现象；增加表观气速，颗粒浓度降低、轴向速度增大，颗粒分布更均匀；增加颗粒循环速率，颗粒浓度增大，速度变化很小，颗粒分布的不均匀性加强。通过对多分散颗粒流动的模拟，结果显示：提升管内不同粒径颗粒的流动行为有较大的差别，大颗粒的浓度大于小颗粒的浓度，沿径向方向大颗粒浓度呈现边壁浓、中心稀的环核流动结构，而小颗粒浓度则是中心浓、边壁稀的分布，与大颗粒相比，小颗粒的轴向速度和温度更大。引入Mikami模型描述颗粒间的液桥力作用，通过比较，忽略了范德华力的影响，应用离散单元法模拟了提升管内湿颗粒的流动特性。首先，研究了不同含湿量下湿颗粒的流动行为，然后定量分析了湿颗粒的团聚特性。结果表明：由于液桥力的存在，提升管内湿颗粒出现团聚现象，且颗粒以单颗粒和聚团两种方式运动；聚团平均存在时间和聚团时间份额沿径向方向增加，含湿量增大，颗粒聚团平均存在时间和聚团时间份额在中心处减小，而在壁面处增加；沿径向方向聚团生成频率逐渐减小，且含湿量越小，在壁面处聚团生成频率越大。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 国内外研究现状  10-16
    1.2.1 国外研究现状  10-14
    1.2.2 国内研究现状  14-16
  1.3 气固两相流数值模拟方法  16-18
    1.3.1 双流体模型  16-17
    1.3.2 离散颗粒模型  17-18
  1.4 本文主要研究内容  18-20
第2章循环流化床内气固流动的 DEM 数学模型  20-40
  2.1 离散单元法  20-22
    2.1.1 硬球模型  20-21
    2.1.2 软球模型  21-22
  2.2 气固流动 DEM 数学模型  22-29
    2.2.1 固相模型  22-27
    2.2.2 气相模型  27-28
    2.2.3 气固两相间的动量交换  28-29
  2.3 关键参数的确定  29-32
    2.3.1 空隙率的确定  29-30
    2.3.2 颗粒碰撞参数分析  30-31
    2.3.3 Hamaker 常数的确定  31
    2.3.4 时间步长的确定  31-32
  2.4 模拟过程分析  32-39
    2.4.1 颗粒碰撞搜索方法  32-33
    2.4.2 气相场数值求解方法  33-38
    2.4.3 气固两相流 DEM 计算流程  38-39
  2.5 本章小结  39-40
第3章提升管内气固流动特性的研究  40-61
  3.1 程序验证算例  40-42
    3.1.1 模拟参数与边界条件  40-41
    3.1.2 模拟结果与分析  41-42
  3.2 提升管内气固流动模拟  42-55
    3.2.1 模拟参数与边界条件  42-43
    3.2.2 提升管内气固流动行为  43-51
    3.2.3 操作条件对颗粒流动的影响  51-55
  3.3 提升管内多分散颗粒流动模拟  55-59
    3.3.1 模拟参数  55
    3.3.2 模拟结果与分析  55-59
  3.4 本章小结  59-61
第4章提升管内湿颗粒流动特性的研究  61-76
  4.1 液桥力模型  61-64
    4.1.1 静态液桥力  61-62
    4.1.2 动态液桥力  62-63
    4.1.3 极限液桥距离  63-64
    4.1.4 几个假设  64
  4.2 模拟参数  64-65
  4.3 提升管内湿颗粒的流动特性  65-72
    4.3.1 颗粒流动结构  65-68
    4.3.2 颗粒浓度分布  68-69
    4.3.3 颗粒速度分布  69-70
    4.3.4 气体速度分布  70-71
    4.3.5 颗粒温度分布  71-72
  4.4 提升管内湿颗粒的团聚特性  72-75
  4.5 本章小结  75-76
结论及展望  76-78
参考文献  78-89
致谢  89

循环流化床提升管内气固两相流的DEM数值模拟

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