基于CFD-DEM耦合分析方法的褐煤振动流化现象研究

摘要

利用振动流化技术对褐煤进行脱水提质处理是利用低热值褐煤资源的有效途径。受到现有测试技术限制，采用传统实验方法难以实现对振动流化床内颗粒复杂流动状态的研究。本文将分析颗粒物质的离散单元法(DEM)与分析工程流体力学的计算流体力学方法(CFD)相结合，分别在立式和卧式振动流化床内，对多粒径混合褐煤的振动流化行为进行三维仿真，分析褐煤在不同结构振动流化床中的运动规律，研究风速和振动参数对振动流化作用的影响，实现振动流化过程的可视化。
　　本文的主要内容如下
　　(1)通过对目前主要气固流态化研究方法的对比分析和对离散单元法基本原理的研究，确定本文采用CFD-DEM直接耦合分析的方法对振动流化现象进行研究。利用球面填充技术对不规则褐煤颗粒进行建模，利用耦合研究的优势对振动流化床分布板进行合理简化，将振动作用简化为床体的正弦运动。对不连续进料的立式振动流化床和连续进料的卧式振动流化床分别建立祸合仿真模型。
　　(2)基于FLUENT12.0和EDEM2.2软件平台分别对立式和卧式振动流化床中的振动流化现象进行三维耦合仿真，把颗粒在流场中的相瓦作用和运动以及流体在颗粒间流动的过程在统一的时间序列内耦合。观察到振动流化作用下小颗粒在上、大颗粒在下的颗粒分层现象。在卧式振动流化床中，颗粒的运行速度随粒径的增大而增大，发现物料运行速度从中心至壁面不断减小的壁面效应。
　　(3)设计仿真实验，对不同振动参数和风速条件下的流化现象进行对比，结果表明在立式振动流化床中物料层的膨胀受风速影响。增大风速和振动强度对不同粒径颗粒的分层有促进作用。在立式振动流化床的厚料层仿真中，振动强度随料层厚度衰减，出现底部大颗粒离散，顶部小颗粒密集的现象。
　　本文对今后运用该方法进一步研究振动流化床内褐煤的脱水及传热过程奠定基础。研究褐煤振动流化现象对于利用振动流化技术进行褐煤干燥的工艺参数设计具有指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 流化技术研究现状及发展趋势

1．2．1 流化技术的理论研究和工程应用进展

1．2．2 流化技术未来发展方向

1．3 振动流化理论研究和工程应用

1．4 离散单元法模拟的研究进展

1．5 主要研究内容和方法

第2章 振动流化床流体相建模及求解方法

2．1 气固流化的流动特点和研究方法

2．1．1 双流体模型研究方法

2．1．2 拟颗粒模型研究方法

2．1．3 颗粒轨道模型研究方法

2．2 基于FLUENT的振动流化床数学建模

2．2．1 FLUENT12．0软件概述

2．2．2 FLUENT中多棺流的选择

2．2．3 振动流化床湍流模型的选择

2．2．4 振动流化床中气固相间作用力

2．3 振动流化床CFD数值模拟设置

2．3．1 基于ICEM CFD的振动流化床结构建模与网格划分

2．3．2 振动流化仿真中进风口的处理

2．3．3 FLUENT中边界条件的设置

2．4 本章小结

第3章 基于离散单元法的振动床及颗粒建模

3．1 离散单元法的计算原理

3．1．1 颗粒运动规律的计算过程

3．1．2 接触模型

3．1．3 软球模型的接触力计算

3．1．4 接触判断

3．1．5 邻居元搜索

3．2 颗粒在振动流化床中的受力

3．3 基于EDEM的褐煤颗粒建模及振动流化床运动模拟

3．3．1 EDEM软件概述

3．3．2 振动流化床的运动模型

3．3．3 振动流化床的参数设计

3．3．4 褐煤颗粒的建模

3．3．5 时间步长的确定

3．4 振动作用下颗粒在流化床内的运动

3．4．1 立式振动流化床的振动落料

3．4．2 卧式振动流化床的振动输送仿真

3．5 本章小结

第4章 振动流化现象耦合分析

4．1 CFD-DEM耦合技术及流化床的耦合模拟方法

4．1．1 CFD-DEM耦合的计算流程

4．1．2 CFD-DEM耦合数学模型和时间匹配

4．2 振动流化现象的整体描述

4．2．1 立式振动流化现象

4．2．2 卧式振动流化现象

4．3 立式流化现象的分析

4．3．1 振幅对振动流化现象的影响

4．3．2 频率对振动流化现象的影响

4．3．3 风速对振动流化现象的影响

4．3．4 厚料层的振动流化现象

4．4 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢