气固反应流的格子气自动机模型与仿真

摘要

气固反应流是石油、化工以及冶金工业中常见的现象。由于大多数反应是一个复杂的非线性过程，其中包含了流动、传热、传质及化学反应等环节，易受体系波动的影响，因此这一过程很难用标准方法从理论上加以有效分析。研究气固反应流的方法包括实验方法和数值模拟方法两大类。由于实验方法成本较高，且受到检测手段的限制而难以获得反应中的细节数据，加之近些年来计算机技术的飞速发展，使得数值模拟方法开始成为与实验方法同等重要的技术手段。
　　气固反应流数值模拟问题对反应器设计有重要作用，但由于研究问题的复杂性而成为反应器理论及应用研究的难点。目前，气固反应流数值模拟方法通常从宏观层面出发，基于流动、传质、传热及反应相关过程的耦合建立数理模型或半经验模型，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)中的有限差分、有限体积等方法对模型求解，涉及到流动、传质、传热以及反应等环节的复杂耦合，并且在边界处理、算法设计以及并行处理上较为困难。而格子气自动机(Lattice Gas Automata，LGA)是一种在介观层面上基于时间、空间以及流体离散的简化分子动力学模型，既具有微观方法下假设条件较少的特点，又具有宏观方法难以涉及分子或粒子层次微观细节的优势，并可通过模型演化和统计而得到体系在宏观上的非线性行为，整个过程以离散粒子的一系列自组织演化规则替代了对机理模型的复杂求解，并且在处理复杂边界以及反应流中各环节的耦合方面也显得更为高效。
　　为模拟气固相反应流问题，本文根据固体颗粒的未反应核理论，基于格子气自动机方法，构建了包含多物质、多能量状态的气固反应流LGA模型。通过对不同组分、不同能量状态的气体粒子的属性标记，根据物质组分的浓度梯度设计了碰撞方式选择概率表达式，以控制多种物质粒子间的扩散迁移，并引入了热交换过程的能量传递规则；参照反应速率方程结构，设计了气固反应的概率表达式，并依照热力学原理进行了反应热效应的量化描述。
　　以Visual Studio2005为平台开发了气固反应流模型的仿真软件，实现了反应过程的人机交互以及模拟结果的可视化，为模拟结果的定量分析提供了帮助。
　　根据文献中 Bohna等人的实验条件，分别在等温和非等温条件下，利用所建立的气固反应流LGA模型模拟了CO与Fe2O3颗粒还原生成Fe3O4的过程，结果表明：在同一时刻，与等温条件相比，非等温条件下反应转化率平均提高了约6.92％，且模拟结果位于Bohna实验结果的误差上下限范围内，所建立的反应流模型有效；同时，反应流模型能够有效地描述出反应过程中的速度场、温度场以及浓度场的变化细节。此外，在此基础上还分别模拟了不同反应条件下CO与Fe2O3颗粒的还原反应过程，结果表明：气体温度、浓度、颗粒粒径以及孔隙率对颗粒反应过程均有显著性影响。
　　构造具有不同空隙率的Fe2O3多颗粒体系，利用反应流模型模拟了CO与Fe2O3多颗粒体系的还原反应过程，并对体系中的速度场、温度场以及浓度场分布情况进行了研究分析。结果表明：反应流模型可以有效地捕捉到多颗粒体系中的流动、传质、传热以及反应等细节；多颗粒体系中的反应过程具有不均匀性，增大流体流速以及空隙率有利于提高整个体系的反应效率，这与客观规律是相一致的。
　　构造填充床反应器，床中采用随机方法生成一系列大小不一、位置分布不均匀的Fe2O3固体颗粒群体，采用反应流模型模拟了床中的反应过程。结果表明：受壁面效应、固体颗粒体系分布以及传热、热效应规则的影响，床层中的速度场、温度场以及浓度场的分布呈现出不均匀性。此外，在此基础上，根据实际冶金填充床中的黑白像素图，模拟了填充床中局部的反应过程，并成功得到了其中反应流现象。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2气固反应流概述

1.3气固反应流的数值模拟研究现状

1.4格子气自动机模型

1.5 课题的研究背景、意义和内容

2 气固反应流的格子气自动机模型

2.1 气固反应流格子气模型的编码方式

2.2 反应流体系的二维空间划分方式

2.3 反应流模型的演化规则设计

2.4物理量统计与转换

2.5演化过程

3 气固反应流的格子气自动机模型仿真软件实现

3.1 模型软件的功能结构

3.2 反应过程的程序流程图

3.3 软件的操作流程及主要界面

4 Fe2O3单颗粒的CO还原反应模拟

4.1 模拟对象与数值实验设计

4.2 模拟结果与分析

4.3 不同反应条件对Fe2O3颗粒反应过程的影响

4.4 结论

5 Fe2O3多颗粒体系的CO还原反应模拟

5.1 模拟对象与数值实验设计

5.2 模拟结果与分析

5.3 结论

6 填充床还原反应模拟

6.1 模拟对象与数值实验设计

6.2 模拟结果分析

6.3 实际冶金填充床中的还原反应模拟

6.4 结论

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献