流化床内固液两相流特性及底板布孔优化的模拟研究

摘要

随着经济社会的发展，环境问题已成为制约我国社会发展的重要问题之一，而在诸多的环境问题中水污染问题又最为突出和严重，尤其是城市的快速发展产生了大量的生活污水，而这些生活污水大多都不经处理直接排放到自然界的水体中，对河流、湖泊、海洋等的环境造成了严重的污染，要想恢复到自然状态是十分困难的。水资源在我国并不丰富，而各种水体的污染，将使可利用的水资源进一步减少，影响人民的正常生活及工农业的生产。要想实现水资源的可持续利用，就必须对工业和生活污水进行净化处理，发展建立一整套经济实用的污水处理设备和方法，而在众多的污水处理方法中生物膜污水处理技术由于其操作方便，运行成本较低，而使其成为最重要的污水处理方法之一。
　　本文釆用RNGk-ε湍流模型结合欧拉-欧拉多相流模型对一典型的液流动力流化床进行数值模拟研究，比较了不同分布板开孔形式下的多种物理量，从而确定出合理的流化床进口分布板的布孔形式，分析了不同载体属性及操作条件下流化床内的固体体积分数、流场流态、湍动能及其湍动能耗散率等物理参量，从而确定了流化床的最优操作参数，发现不同运行工况的优缺点，从而使读者可以根据需要选择适合自已工况的分布板布孔方式、载体属性及操作参数。通过分析比较，得出如下结论：
　　（1）通过对模型验证一的比较分析，发现釆用欧拉-欧拉多相流模型辅以RNGk-ε湍流模型可以很好的模拟流化床内的固液两相流。通过模型验证二对所选用的多相流模型、湍流模型及其边界条件和数值求解方法进行了验证，模拟值与试验数据吻合较好，得出：所选数学模型、数值求解方法及边界条件可较好地模拟出流化床内固液二相流的流动特性。
　　（2）通过与布设其他形式的载体分布板相比，布设分布板A时载体颗粒在流化床内处于完全流化状态，形成均一流动层，无局部高浓度区域，轴向浓度有波动但是不明显，流化床内浓度分布最为均匀。载体在流化床内轴向速度分布较均匀，无过大的速度产生，沿轴向和径向轴向速度梯度变化较小。布设分布板A时，载体径向速度分布范围明显大于布设其他分布板的情况，最大径向速度为0.17m/s，在径向上载体颗粒之间的碰撞与摩擦程度更为激烈。
　　（3）在其他初始条件不变的情况下，随载体粒径的增大，流化床内载体体积分数和轴向速度均减小，床层的膨胀高度也明显减小，流速均匀性和流态都变差。随载体密度的增大，流化床内载体体积分数相应变大，床层膨胀率和轴向速度均减小，流速均匀性变差，流态也变得不稳定。随载体初始填充高度的增大，流化床内载体体积分数相应变大，轴向速度减小，床层膨胀率有小幅波动，流速均匀性和流态都变差。随流化床入口处液体速度的增大，流化床内载体体积分数减小，床层膨胀率和轴向速度均有明显增大，流速均匀性变差。
　　（4）通过对流化床内的载体体积分数、载体轴向速度分布及流速不均匀系数等的分析比较后得出：载体颗粒的密度为1500kg/m3，载体粒径为1mm，载体初始填充高度为0.3m，流化床入口处液体速度为0.15m/s时为所给定生物流化床的最优载体属性和运行参数。对提高流化床的污水处理效率最为有利。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 流化床反应器的原理与分类

1.3 国内外研究进展

1.4 本文主要研究内容

2 流化床固液两相流数值模拟理论

2.1 计算流体力学在模拟生物流化床中的发展及应用

2.2 CFD模拟与模型试验

2.3 CFD的求解过程

2.4 CFD基本控制方程

2.5 湍流模型概述

2.6 多相流模型概述

3.1 数学模型

3.2 模型验证一

3.3 模型验证二

3.4 本章小结

4 载体分布板对流化床流场影响的分析

4.1 流化床数值模拟

4.2 各分布板对载体体积分数分布的影响

4.3颗粒分布板开孔形式对流场影响

4.4 本章小结

5.颗粒属性和操作参数对流化床流场影响的分析

5.1 载体密度对流化床内流动特性影响

5.2 不同载体填充高度下流场特性的比较

5.3 同一比重和粒径，不同操作速度下流场特性的比较

5.4 不同粒径时流场特性的比较

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A 攻读硕士期间发表的论文

B 攻读硕士期间参与的项目

C 攻读硕士学位期间获得的荣誉