气固两相流在微型流化床中数值模拟及结构优化设计

摘要

本文通过在微型流化床中典型固相物料焦油模型化合物蒽和工业危废菌渣的变温度和变气速热解实验，测试了在固相物料进行脉冲进样时反应器中压力的变化。根据热解产生可燃气体成分的特性规律和实验装置的承温可靠性确定了热解所需要的温度范围为750℃左右，气速范围为400ml/min左右，为数值模拟及参数设置提供了必要的依据。
　　根据微型流化床中气固两相流的受力情况建立了基本力学模型，并对不同的曳力模型进行了自定义程序的编写，应用FLUENT软件对微型流化床中的气固两相流进行了数值模拟。首先，根据实验用的微型流化床的结构和尺寸建立了数值模拟用的网格文件，选用了真实的布风方式，网格划分及实现网格无关性后选定了微型流化床气固两相的空隙率为0.5，计算了数值模拟的计算步长和次数。其次，根据流化床已有的理论和实验研究经验，建立了Syamlal的三个参数模型和Gidaspow模型。根据流化介质的流化高度，固相颗粒的分布对称性和均匀性确定Syamlal曳力模型适用微型流化床气固两相的数值模拟并选定第二个参数模型作为能表征微型流化床中良好流态化的最优曳力模型，而在Gidaspow模型下微型流化床中的流态化较差。最后，在微型流化床现有结构的基础上，在选定的曳力模型下研究了微型流化床中的流场特性。发现了现有微型流化床存在的问题，为微型流化床结构的优化提供了重要参考。
　　根据微型流化床数值模拟时发现的问题，对微型流化床的外形、介质布置和内置结构进行了优化设计。外形优化结构中，在多层肋板结构下加强了反应器周围的传热效应，改善了原有的浓度分布，同时根据速度矢量分布，多环-核结构得到进一步改善，环-核结构数量明显减少，更加贴近于实验状态。介质布置结构中，采用双层介质布置，速度矢量的分布表征了典型的流化状态已经形成。内置优化结构中，流化高度得到有效的提高，固相浓度分布更加均匀并且以稀相为主。根据优化验证结果，形成了两种模型优化方案，多肋板双介质布置和多肋板内置结构模型。
　　通过模拟发现0.3mm的粒径仍然适合改进后的微型流化床，验证了实验中介质粒径选取的合理性和科学性。根据两种优化后的微型流化床中热解特性x-t曲线的重复度和计算的化学反应的活化能值，对比相关研究结果，可以发现两种微型流化床的结构优化模型在计算动力学方面表现出较高的准确性，验证了数值模拟及模型优化结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 微型流化床简介

1．3 气固两相流及微型流化床的研究现状

1．4 存在问题

1．5 研究内容与意义

第2章 气固两相物料在微型流化床中的实验研究

2．1 微型流化床工作参数对气固两相物料热解的影响

2．1．1 温度对原料热解强度的影响

2．1．2 气速对原料热解强度的影响

2．1．3 压强的变化

2．2 本章小结

第3章 微型流化床中流体理论基础

3．1 流体力学的基本理论

3．1．1 流体的物理性质

3．1．2 流体质点受力分析

3．1．3 流体流动的描述

3．1．4 流体力学基本方程

3．2 计算流体力学数学模型

3．2．1 k-ε模型

3．2．2 RSM模型

3．2．3 大涡模拟(LES)

3．3 本章小结

第4章 数值模拟

4．1 FLUENT原理

4．2 数值模拟曳力模型

4．2．1 气固两相的相互作用力

4．2．2 数值模拟参数设置

4．3 气固两相流在微型流化床中不同曳力模型下的模拟结果与分析

4．3．1 不同曳力模型下冷态时固相浓度分布

4．3．2 不同曳力模型下热态时固相浓度分布

4．3．3 流场内速度场的分布

4．4 本章小结

第5章 微型流化床结构优化设计及验证

5．1 气固两相流在微型流化床外形结构优化模型的数值模拟

5．1．1 微型流化床外形结构优化模型

5．1．2 热态时固相浓度分布

5．1．3 热态时流场速度分布

5．2 气固两相流在微型流化床介质布置优化模型的数值模拟

5．3 气固两相流在微型流化床内置结构优化模型的数值模拟

5．4 微型流化床中流化介质粒径大小对流化高度的影响

5．5 热解特性研究和动力学参数计算

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

致谢