移动床中固体颗粒运动与传热的研究

摘要

颗粒材料在自然界中广泛存在，在各种工业过程中也有广泛的应用，以化学工业为例，其产品的一半、原材料的3/4为颗粒状物质，现代化工中若干前沿发展也与颗粒学有关，例如材料、制药、生化和环境等。但是人们对颗粒系统中的许多现象认识还不深，据估计在相关的工业部门，单由输送颗粒材料遭遇的问题所带来的工业设备利用能力的浪费就高达40％，远远达不到优化设计和节能的要求。因此研究颗粒系统中的各种传递过程是化学工程研究领域的前沿，极富有挑战性。本论文以颗粒随机运动模型(PKM)、离散元模型(DEM)和颗粒接触传热模型为研究手段，以颗粒移动床为研究对象，从不同尺度、不同角度研究了移动床中的动量传递和热量传递过程，拓展了原有模型的应用范围，提出了新的概念和理论。研究具有重要的理论意义，对移动床的优化、设计也具有重要的实用价值。 移动床在散体物料储存、多相反应、物质分离等领域有着广泛的应用，要有效的设计移动床就需要对颗粒物料间的各种传递过程的特性有深入的了解。传统的实验方法可以获得颗粒系统的一些特性，得到相应的经验关联式，但是要深入的了解颗粒系统的本质特征所需要的实验费用十分昂贵。近年来随着计算机成本的不断降低，越来越多的研究可以通过计算机模拟来完成，在保证结果准确性的同时，大大降低了研究成本。本论文采用了计算流体力学的方法，研究了移动床中的动量和热量传递过程，主要开展了以下几个方面的工作： 1.颗粒随机运动模型(PKM)是从纯运动学的角度考察颗粒的运动，其形式简单，只有一个模型参数——运动常数B，而且B只与颗粒的大小有关，因此十分便于工程的实际应用。本论文建立了一个2-D实验移动床，通过与实验结果的对比，确定运动常数B的最优值为颗粒直径的2.5倍。传统的PKM模型未考虑移动床壁面对颗粒运动的影响，只适用于中心卸料过程。本论文利用Lie群变换的方法求取了模型方程相似解的一般形式，将相似解对x求一阶导数后发现颗粒运动的最大速度分布在x=0的线上，因此本论文采用移动坐标的方法来解决偏心卸料问题。按照该思想对PKM模型进行修正，模拟结果与实验结果吻合的很好，拓展了该模型的应用范围。 2.PKM模型虽然形式简单，但是对形状复杂的流场很难得到准确的结果，并且只能模拟稳态过程的问题。DEM方法是在颗粒角度上考察各种量的变化，其主要优点是可以基于基本的数据来模拟复杂系统而不必采用过分的简化假设，能够更好地反映一些过程的本质，并且与PKM模型相比，模拟得到的颗粒运动轨迹即为颗粒的实际运动历程，同时可以很容易地将时间因素考虑进来，因此有了更广泛的应用。本论文应用DEM模型考察了三种结构的移动床：平底移动床、无改流体的漏斗形移动床以及安置改流体的漏斗形移动床，通过与实验结果的对比验证了本论文采用的DEM模型的准确性。对于不同的床层结构，颗粒的流动状态各不相同。在移动床卸料过程中，颗粒流过一定高度以后，表层示踪颗粒有明显向中心汇聚的现象，而在颗粒连续流动的过程中，由于颗粒的连续添加消除了自由表面，没有示踪颗粒向中心汇聚的现象。对于连续流动过程，平底移动床中出口两侧存在颗粒运动的死区，漏斗形移动床中床层底部的收缩斜壁消除了平底移动床中的颗粒运动死区；对于以上两种床层结构在其下半部分颗粒的运动状态均为汇聚流。为了改善这些移动床中颗粒的流动状态，本论文考察了3种改流体对颗粒运动的影响，相对于传统的圆锥形改流体，中本论文提出的一种新型的改流体结构(2＃改流体——倒漏斗形改流体)可以更好的改善颗粒的流动状态。 3.影响移动床中颗粒运动的因素有很多，其中主要的有：颗粒的粒径、密度、形状、休止角、颗粒群的特性(粒径分布、床层空隙率等)、出料速率等等。本论文通过实验考察了3种不同颗粒(聚乙烯、聚苯乙烯和树脂颗粒)的流动特性，发现出料速率对床层内颗粒流动区域形状的影响很小，而颗粒的休止角、直径、形状对床层内颗粒流动区域的形状影响较大。随着颗粒休止角的增大，流动区域变陡，死区变大；颗粒的球形度越大、直径越小颗粒的流动性能越好，颗粒间越容易混合。 进一步地，本论文利用DEM模型从微观尺度上考察了4种粒径分布(随机分布、正态分布、大小混合、均一粒径)颗粒系统的流动特性，得到了颗粒速度、床层空隙率、颗粒应力等的空间分布；同时利用数理统计的原理得到了这些变量的概率分布。微观空间分布和概率分布的结果能够很好地解释说明实验和模拟获得的移动床宏观流动特征。对这些结果进行分析可以发现： a)颗粒的粒径分布对颗粒系统的运动有很大影响，不同粒径的混合有利于颗粒的流动；在平底移动床中粒径分布对颗粒速度的影响要大于漏斗形移动床。b)对于同一粒径分布G2/5与Do呈线性关系；在平底移动床中，移动床出口直径对等粒径分布系统的出料速率影响最小，对正态分布系统的影响最大；而在漏斗形移动床中颗粒的粒径分布对其出料速率的影响很小。 c)在平底移动床出口上方存在拱形的应力链，出口两侧颗粒运动的死区内颗粒间的应力很大，中心流动区域应力较小，在移动床的上部颗粒间的应力最小；而在漏斗形移动床中，移动床直桶部分与漏斗部分的连接处以及漏斗的上半部分颗粒间的应力最大，出口附近的颗粒应力较小，移动床上部颗粒间的作用力最小，与平底移动床相比出口上方颗粒“架桥”形成的拱形应力链不是很明显；安置改流体后，改流体与移动床壁面间形成的楔形空间是颗粒应力最大的区域。 d)对于平底移动床，颗粒与移动床底部壁面的应力在出口附近最大；随着床层深度的增加，颗粒与移动床侧壁面的应力增加，但当床层深度达到一定值后颗粒与移动床侧壁面的应力不变；颗粒与底部壁面的应力要大于与侧壁面的应力。对于漏斗形移动床，颗粒与壁面的应力先是随着床层深度的增加而增加，在移动床的直桶部分和漏斗部分连接处应力突涨，曲线出现一个峰值，随后应力随着床层深度的增加而减小；安置改流体后，在改流体顶部的高度上应力曲线也会出现一个峰值。 e)在平底移动床中，对不同粒径混合系统，移动床的空隙率和颗粒配位数概率分布曲线均只有一个峰，而对等粒径系统的概率分布曲线均有两个峰；在漏斗形移动床中空隙率和颗粒配位数概率分布曲线均为单峰结构。安置改流体后使得床层内形成了楔形的空间，颗粒更容易相互挤压，颗粒配位数概率分布曲线的峰值有所提高。 4.颗粒材料在化工、能源以及其他行业得到了非常广泛的应用，但到目前为止对其传热过程的研究还不充分，而且大部分对颗粒系统中传热规律的研究都是局限于宏观层面的研究，对颗粒尺度上的传热研究还比较少。本论文在综合考虑颗粒接触传热的多个过程的基础上提出了一个颗粒接触传热模型(PCHM)，模型包括有4个传热过程：①通过固体的导热；②通过颗粒间接触面(点)的导热；③颗粒间接触面附近气膜的导热；④颗粒—流体—颗粒的对流传热，该模型与DEM模型结合模拟了移动床中颗粒与加热面间的传热过程。比较各传热过程热阻的关系为：R对流＞R气膜＞R接触＞R内部，在传热温差相同的情况下，各传热过程传递的热量的关系为：Q对流＜Q气膜＜Q接触＜Q内部。按照本论文提出的综合方法得到的有效传量为Qeff=Q对流+Q内部(Q气膜+Q接触)/Q内部+(Q气膜+Q接触)，通过接触面传递的热量对整体有效传热量的影响最大。床层中颗粒的运动速度vp对传热影响很大，随着vp的增加有效传热系数先是增加然后下降并且产生较大的波动。有效传热系数主要受与加热面接触的颗粒数目、接触时间、颗粒—加热面间接触面积等因素的影响。当颗粒的平均粒径相同时，不同的颗粒粒径分布对颗粒系统的传热影响不是很大。当颗粒的粒径增大时，有效传热系数降低。颗粒与加热面间的传热量在空间上的分布是不均匀的，随着床层深度的增加二者间的传热量有一个快速增大的过程，然后增大的速度减缓并在一定范围内波动，最后在出口附近传热量有一些减小。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1.颗粒系统与计算流体力学

1.2.课题背景

1.3.论文的内容与组织结构

参考文献

第二章文献综述

2.1.连续介质流动模型

2.1.1.塑性模型

2.1.2.粘性流模型

2.1.3.势流模型

2.2.离散微粒学流动模型

2.2.1.Monte Carlo模拟

2.2.2.GLMG(Granular Medium Lattice Gas)模型

2.2.3.颗粒随机运动模型-PKM

2.2.4.DEM(Discrete Element Method-离散元方法)

2.3.DEM模型的发展和机理

2.3.1.DEM模型研究进展

2.3.2.DEM在化工中的应用

2.3.3.DEM原理和颗粒细观力学

2.3.4.DEM模型参数

2.4.颗粒系统传热机理

2.4.1.连续介质传热模型

2.4.2.离散颗粒传热模型

2.4.3.基于DEM的颗粒系统传热模型

2.5.本章小结

符号说明

参考文献

第三章颗粒流动的PKM模型及其修正

3.1.二维移动床中颗粒运动的实验研究

3.1.1.实验设备和实验方法

3.1.2.实验结果与分析

3.2.二维移动床中颗粒运动的PKM模型模拟

3.2.1.PKM模型

3.2.2.计算结果分析

3.2.3.传统PKM运模型的修正

3.3.本章小结

符号说明

参考文献

第四章移动床中颗粒运动的DEM模拟

4.1.颗粒运动的数学模型和二维实验移动床

4.1.1.颗粒运动的DEM模型

4.1.2.DEM模型的求解

4.1.3.二维实验移动床

4.2.平底移动床实验结果与模拟结果的对比

4.2.1.移动床卸料过程(颗粒粒径为随机分布)

4.2.2.颗粒连续流动过程

4.3.漏斗形移动床中颗粒运动的DEM模拟

4.3.1.无改流体的漏斗形移动床模拟结果

4.3.2.安置改流体的漏斗移动床模拟结果

4.4.弹性系数(k)对模拟结果的影响

4.5.DEM与其他模型的比较

4.6.本章小结

符号说明

参考文献

第五章移动床中颗粒运动的微观分析

5.1.移动床特性的空间分析

5.1.1.颗粒运动速度的空间分布

5.1.2.移动床的出料速率

5.1.3.床层空隙率的空间分布

5.1.4.颗粒间应力的空间分布

5.1.5.颗粒与移动床壁面间的应力分布

5.2.移动床特性的概率分布分析

5.2.1.颗粒运动速度的概率分布

5.2.2.移动床的微观结构

5.3.本章小结

符号说明

参考文献

第六章颗粒接触传热研究

6.1.颗粒接触传热模型(PCHM)

6.1.1.传热机理分析

6.1.2.多个传热过程的综合

6.2.颗粒接触传热的数值模拟

6.2.1.移动床中颗粒接触传热的模拟

6.2.2.模拟结果分析

6.3.本章小结

符号说明

参考文献

第七章结论与展望

7.1.结论

7.2.展望

附录A Lie群变换求解PKM方程相似解

作者情况简介

博士期间发表论文和申请专利情况

致 谢