流化床内稠密气固两相流动机理的CFD-DEM耦合研究

摘要

稠密气固两相流动广泛存在于能源、化工、冶金等工业应用过程中，对其深入研究既有助于对固相输运特性以及气固两相间相互作用机理的揭示，也能为工程实际中密相设备的设计和放大提供指导。本文在欧拉-拉格朗日耦合框架下，发展了可对复杂结构床体内稠密气固两相流动进行大规模并行计算的计算流体力学耦合离散单元法(CFD-DEM)模拟平台，其中对流体运动的求解在计算网格尺度进行，而固相运动的求解则在颗粒尺度层面对每个颗粒运动轨迹进行跟踪。同时，将稠密两相流动中气固之间对流换热以及颗粒之间导热传热耦合进计算框架，并加入了预测管壁磨损分布的子模块。基于该计算平台，对几种工业过程中典型密相流化设备内两相流动机理进行了分析;同时，借助于离散单元法追踪颗粒的优势，从颗粒尺度层面对固相的重要运动特性进行研究。研究内容主要包含以下三个部分:
　　第一部分为三维鼓泡流化床内气固输运特性以及埋管传热和磨损机理研究。首先对三维鼓泡流化床内气固两相运动及其与气泡之间的交互进行了研究，并从颗粒尺度揭示了系统内固相耗散和湍动特性，同时考察了气固两相之间的传热特性。接着，基于单根埋管鼓泡流化床，阐释了埋管周向不均匀换热系数分布特性与其周向气固流动分布特性之间的强耦合关系，并揭示了不同传热机理在其传热过程中的作用。最后，对比研究了管排方式对密相流化床内气泡运动路径、固相浓度、颗粒耗散及其混合的影响，并揭示了预测管束磨损分布的时均物理量。
　　第二部分是三维喷动流化床内固相输运机理以及带隔板双体矩形截面狭缝喷动床内流动特性分析。首先研究了三维喷动流化床内喷动一环隙区间相互作用边界的特性及参数对其的影响，同时从颗粒尺度层面统计了固相在系统内的循环及其在不同区域的停留和耗散特性。此外，考察了操作参数（表观气速、颗粒粒径）及床体放大对这些特性的影响。接着，对实验室尺度的带隔板三维矩形截面狭缝双体喷动床内时均流动特征进行了分析，并揭示了喷动区边界特性以及喷动区-环隙区之间作用的强度参数，同时研究了隔板高度对系统腔室间作用的影响。
　　第三部分研究了带隔板内循环流化床内典型气固流动特征及固相停留和耗散特性，同时量化研究了三维整床循环流化床内采用双侧返料方式对提升管内气固流动不均匀性改善程度。首先深入分析了内循环床内气固流动机制，标识了床体内气泡优先上升路径及固相优先循环路径，同时研究了操作条件（流化风速和颗粒直径）和床体结构参数（隔板倾角、热交换腔侧墙倾角、隔板底部通道高度等）对固相循环、停留和耗散特性的影响。接着，对三维双侧返料循环流化床内全床气固流动的分布特性进行了研究，考察了提升管内复杂稠密流动及其典型流动特性。在颗粒尺度层面得到提升管内固相耗散、停留、受力及旋转方面的信息，以及气固两相在旋风分离器、立管及返料阀内的运动特性。此外，对比单侧返料方式，定量考察了双侧返料对改善提升管内气固流动不均匀性的效用，以期能为设备设计及放大提供理论支撑。

目录

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致谢

论文说明

摘要

术语表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 气固两相流动的分类

1．3 稠密气固两相流动的研究方法

1．4 稠密气固两相流动的计算方法

1．5 稠密气固两相流计算研究趋势

1．6 本文的研究内容

参考文献

第二章 气固两相流动数学模型和数值方法

2．1 气相运动控制方程

2．2 固相运动控制方程

2．3 气固两相耦合子模型

2．4 气固两相耦合数值算法

2．5 固相颗粒尺度特性的统计

2．6 本章小结

参考文献

第三章 三维鼓泡流化床内气固传热及耗散特性研究

3．1 引言

3．2 模拟工况

3．3 床内气固流动特性

3．4 固相耗散特性

3．5 固相湍动特性

3．6 固相混合特性

3．7 固相传热特性

3．8 本章小结

参考文献

第四章 三维鼓泡流化床内单根埋管传热机理研究

4．1 引言

4．2 模拟工况

4．3 瞬态气固流动特性

4．4 气固时均特性分析

4．5 瞬态传热特性

4．6 管壁周向传热系数分布

4．7 表观气速对埋管换热的影响

4．8 本章小结

参考文献

第五章 管束对三维鼓泡床内气固流动及磨损特性影响的研究

5．1 引言

5．2 模拟工况

5．3 气固流动特性

5．4 统计时间和床层厚度对时均特性的影响

5．5 气泡优先运动路径

5．6 管束存在对气固时均特性分布的影响

5．7 管束存在对颗粒混合的影响

5．8 管束存在对颗粒耗散的影响

5．9 管排方式对埋管磨损特性的影响

5．10 本章小结

参考文献

第六章 三维喷动流化床固相输运特性研究

6．1 引言

6．2 计算模拟工况

6．3 固相运动及模型验证

6．4 空隙率及通量分布

6．5 喷动区边界特征

6．6 颗粒混合特性及参数影响

6．7 颗粒循环时间分布及参数影响

6．8 颗粒停留特性及参数影响

6．9 颗粒在三个区域内停留特性

6．10 固相局部停留特性

6．11 固相耗散特性研究

6．11．1 固相水平局部耗散特性

6．11．2 固相轴向局部耗散特性

6．11．3 固相系统耗散特性

6．11．4 运行参数对固相耗散的影响

6．12 本章小结

参考文献

第七章 实验室尺度带隔板双体矩形截面狭缝喷动床内气固流动特性研究

7．1 引言

7．2 模拟研究工况

7．3 模型验证

7．4 双体喷动床颗粒流动特性

7．5 气相时均流动特性

7．6 固相时均分布特性

7．7 喷动-环隙区相互作用特性

7．8 隔板安置对腔室间作用的影响

7．9 本章小结

参考文献

第八章 内循环床固相循环、停留及耗散特性研究

8．1 引言

8．2 模拟工况

8．2．1 三维内循环床模拟及设置

8．2．2 不同设计参数下内循环床模拟

8．3 气泡及颗粒运动特性

8．4 固相循环及停留特性

8．5 固相局部停留特性

8．6 操作和设计参数对固相停留时间影响

8．7 固相耗散特性

8．8 操作和设计参数对固相耗散特性的影响

8．9 本章小结

参考文献

第九章 双侧返料循环流化床气固流动特性的数值研究

9．1 引言

9．1．1 提升管内气固两相流动特性

9．1．2 外循环构件内气固流动特性

9．1．3 循环床单个部件内气固流动的数值模拟

9．1．4 循环床内全循环的数值模拟研究

9．2 模拟工况

9．3 循环床内宏观气固特性分析

9．4 提升管内气固分布特性

9．5 提升管内固相运动颗粒尺度分析

9．6 双侧回料对循环床内气固流动改善分析

9．7 旋风分离器内气固流动及其颗粒尺度信息

9．8 料腿及返料阀内气固运动

9．9 本章小结

参考文献

第十章 全文总结与展望

10．1 全文总结

10．2 工作展望

攻读博士学位论文期间发表论文