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撞击流吸收器流动特性的三维数值模拟研究

作　者: 李立
导　师: 刘和云；李志鹏
学　校: 长沙理工大学
专　业: 机械工程
关键词: 撞击流 流场特性 颗粒运动特性 三维数值模拟 FLUENT
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 141次
引　用: 4次
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内容摘要


Elperin在1961年首先提出了撞击流(Impinging Streams,IS)的概念,随后进行了十多年的两相流撞击实验及其应用的研究。在此基础上,Tamir、伍沅等人进行了关于撞击流强化传质研究及撞击流在干燥、吸收、气体和固体的冷却和快速加热、混合、多相反应等过程中的应用研究。研究结果证实,撞击流不但可以强化多相流系统的热质传递过程,而且还可以极大地促进化学反应的进行。伍沅等人并指出,燃煤烟气净化过程或许是撞击流技术的一个非常恰当的应用对象。近年来,很多文献报道了针对撞击流反应器的热质高效传递特点而进行的撞击流应用实验研究和简单的二维数值模拟,而采用FLUENT软件对撞击流特性进行三维数值模拟研究的报道却很少。由于采用实验研究会带来巨大的投资,而且实际的撞击流又是三维的,若用二维数值模拟肯定会带来很大的误差,所以,本文提出用FLUENT软件对撞击流吸收器的流场和颗粒运动特性进行三维数值模拟,可以更好地揭示其实际流动规律,并进行更准确地计算分析,为设计开发撞击流燃煤烟气净化装置及其实际应用提供有用的基础数据和理论依据。本文通过建立撞击流吸收器几何模型、划分网格、选择适当的数学模型和参数并迭代计算,首先研究了空气的单相流动特性,主要探讨流场的形态以及静压和速度的分布情况,并且讨论了空气进口速度和加速管间距对空气最大径向速度的影响。其次,研究了铁颗粒的运动特性,主要包括铁颗粒的运动轨迹、轴向速度、浓度分布和颗粒平均停留时间,并且讨论了进口速度、颗粒直径和加速管间距对颗粒平均停留时间的影响。从数值模拟结果与实验数据的比较可以看出,数值模拟的结果符合现有撞击流理论并且与实验数据基本一致,这不仅验证了所建模型的正确性,而且证明使用三维数值模拟方法来进行撞击流研究是可行的。本文的数值模拟结果为撞击流吸收器的优化和改进设计提供了基础数据和理论依据,并为最终获得一种高效、低耗、具有独立知识产权的磁撞击流脱硫新技术打下了基础。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 课题的背景和目的  10-11
  1.2 撞击流技术  11-15
    1.2.1 撞击流的基本原理  11-12
    1.2.2 撞击流的主要特性  12-13
    1.2.3 撞击流的研究进展  13-14
    1.2.4 撞击流开发应用的主要方向  14-15
  1.3 计算流体力学与数值模拟  15-19
    1.3.1 计算流体力学  15-17
    1.3.2 CFD软件  17-18
    1.3.3 FLUEN的基本用法  18-19
  1.4 本文的主要工作  19
  1.5 本章小结  19-20
第二章 撞击流吸收器的数学模型研究  20-30
  2.1 撞击流吸收器的物理模型  20-21
  2.2 流体相的数学模型  21-23
    2.2.1 简化假设  21-22
    2.2.2 质量守恒方程  22
    2.2.3 动量守恒方程  22-23
    2.2.4 RNG κ-ε方程  23
  2.3 颗粒相的数学模型  23-26
    2.3.1 简化假设  24
    2.3.2 颗粒运动方程  24-25
    2.3.3 颗粒的湍流扩散  25-26
  2.4 颗粒与气体间的耦合作用  26-27
  2.5 模型的边界条件  27-28
  2.6 本章小结  28-30
第三章 撞击流吸收器的FLUENT数值建模  30-40
  3.1 FLUENT数值求解方法概况  30-33
    3.1.1 分离解方法  30-31
    3.1.2 耦合解方法  31
    3.1.3 压力-速度耦合  31-32
    3.1.4 离散相的计算过程  32-33
  3.2 撞击流吸收器的数值求解特征  33
  3.3 计算区域离散  33-34
  3.4 FLUENT数值建模注意事项  34-38
    3.4.1 网格检查  34-35
    3.4.2 解算器选择  35
    3.4.3 离散相模型设定  35-36
    3.4.4 材料物理性质  36
    3.4.5 边界条件与初始条件设置  36-38
    3.4.6 求解控制参数设置  38
  3.5 本章小结  38-40
第四章 数值模拟的结果与分析  40-52
  4.1 连续相的数值模拟结果与分析  40-45
    4.1.1 连续相的速度场与压力场  40-43
    4.1.2 连续相的轴向速度和径向速度  43-44
    4.1.3 最大径向速度的影响因素  44-45
  4.2 离散相的数值模拟结果与分析  45-50
    4.2.1 单个颗粒的运动轨迹  45-46
    4.2.2 单个颗粒在x轴方向上的速度  46-47
    4.2.3 颗粒在流场中的浓度分布  47-49
    4.2.4 颗粒平均停留时间的影响因素  49-50
  4.3 本章小结  50-52
第五章 结论与展望  52-54
  5.1 主要研究成果  52
  5.2 主要创新点  52-53
  5.3 不足之处和今后工作设想  53-54
参考文献  54-56
致谢  56-57
附录A (攻读学位期间所发表的学术论文)  57

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学
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