基于格子气自动机方法的流化床内气固两相流模拟研究

摘要

高炉炼铁技术在空前发展的同时也带来了高能耗、环境污染严重等问题，探索低碳冶金技术是未来钢铁行业发展的必然趋势。非高炉炼铁新工艺是近几十年来兴起的炼铁技术，具有降低能耗、减少CO2排放等诸多优点，已逐渐引起了人们广泛的关注。在众多非高炉炼铁工艺中，流化床反应器由于可以直接利用粉矿，很可能会成为铁矿粉直接还原炼铁技术的重要发展方向。
　　 对流化床内气固两相流的研究是反应器设计和放大的基础。由于流化床内气固两相流的流动特性表现出了典型的复杂性和非线性，人们对床内流动性能的认识至今仍面临很大的困难，由于实验研究存在着投资高、耗时长等限制，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术逐渐成为了气固两相流研究的主流方法之一，对气固两相流的流体动力性能的模拟研究对反应器的设计和放大有重要指导作用。气固两相流复杂系统具有典型的多尺度特征，运用传统的单一尺度的模拟方法已无法认识气固两相流系统内在的复杂性，现有的几种多尺度模型往往存在着计算量巨大的缺点。寻找一种既能够刻画气固两相流的多尺度特征，又能适应大规模工程计算的数值模拟方法，就显得迫在眉睫。因此，对流化床内气固两相流的模拟研究具有重要的实用意义和理论价值。
　　 格子气自动机方法是一种时间离散、空间离散和速度离散的方法，已广泛应用于各种复杂流体流动的模拟，该方法用简单的局部演化规则在介观层次刻画流体粒子之间的相互作用，再通过宏观统计的方法得到流体的宏观流动行为。本文在已有研究工作基础上完善实现了鼓泡床气固两相流的变尺度格子气模型。该模型通过附加规则来表征鼓泡床中气泡的形成和长大，用气体粒子间的引力规则和气固粒子间的斥力规则实现了气泡的表面张力，当气体粒子运动到固体颗粒表面时发生完全弹性碰撞，碰撞时实现动量的传递和累积，以此表征气固相间的曳力作用。
　　 为了描述不同流化床反应器内气固两相流的流动行为，针对喷动床内不同流动区域的流动形态存在明显差异，通过对存在大速差的不同运动空间采用不同尺度的网格划分的方法，来体现不同流动区域的气固运动形式及其流动特征，建立了喷动床内气固两相流的变尺度格子气模型；在前期建立的鼓泡流化床、喷动床变尺度格子气模型基础上，又对描述气固两相流复杂系统的关键因素--气固相间的曳力进行了探索研究，借鉴以往学者通过实验数据关联曳力模型的方法，以及通过格子玻尔兹曼模型模拟数据导出曳力模型的方法，用变尺度格子气模型对几十组气固两相流系统进行了模拟，用模拟得到的曳力数据导出了基于变尺度格子气方法的曳力模型；由多尺度分析入手，从流场划分、固相应力和黏度、气固曳力等几方面，对目前较为流行的双流体模型和本文建立的变尺度格子气模型进行了比较研究；在完成了以上研究工作的基础上，考虑到变尺度格子气模型仍属于粒子方法的范畴，计算规模仍然受到粒子数多少的限制，又基于区域划分的思想，提出了变尺度格子气模型的并行算法，提高了模型的计算速度，增大了模型的计算规模。
　　 本文通过与实验结果对比的方法对模型进行检验。通过对文献中的实验条件和自制实验装置的模拟，研究了鼓泡流化床内气泡的形成、上升、长大、聚并和破裂行为，研究床内颗粒的运动特征，并定量计算了气泡的当量直径和上升速度，还计算了床层压降随时间的变化关系等，模拟结果与文献中的实验结果和自制实验装置的实验结果相一致；同样，通过对文献中的实验条件的模拟，研究了喷动床内喷射区、环隙区和喷泉区的颗粒流动特征，并定量计算了颗粒沿轴向方向的速度分布和在喷射区内沿径向方向的速度分布，通过对自制实验装置的模拟，研究了喷动床的启动过程，模拟结果与实验结果相一致；通过文献中的实验条件，用基于变尺度格子气方法的曳力模型，和目前常用的基于经验半经验关联的曳力模型与基于格子玻尔兹曼方法的曳力模型，对同一鼓泡流化床内的气固两相流进行了定性研究和定量研究，模拟结果显示，基于变尺度格子气方法的曳力模型得到了与其他两类曳力模型一致的变化规律，且与实验结果的平均相对误差更小；通过采用文献中的实验条件，对同一模拟对象，运用变尺度格子气模型和双流体模型进行了模拟，模拟结果显示，两种模型得到的规律都与实验结果相一致，且本文建立的变尺度格子气模型的平均相对误差更小；通过运用结合了并行算法和没有结合并行算法的变尺度格子气模型，对同一模拟对象进行了模拟，模拟结果显示，数值计算的速度提高了3.78倍，可见，通过使用并行算法，有望实现变尺度格子气模型的大规模工程应用。
　　 因此，研究工作取得了一定的进展，完成了鼓泡床和喷动床的变尺度格子气自动机模型的实现工作。论文研究工作对进一步拓展格子气自动机的应用领域，实现格子气自动机方法应用于复杂气固两相流动系统模拟提供了有益的借鉴。本文的研究成果可望对流化床反应器的设计和放大提供理论指导。