循环流化床内稠密气固两相流动的DEM-LES模拟研究

摘要

气固两相流动是工业生产和日常生活中常见的流动形式。本文以稠密气固两相流动为研究对象，采用欧拉-拉格朗日框架对气固流动进行描述、以离散元耦合大涡模拟方法(DEM-LES)为主要研究手段，在对数值方法进行验证、对相关参数进行敏感性分析的基础上，针对概念上极为相似的两种气固流态化装置——内循环床(ICFB)和循环流化床(CFB)内若干问题进行了较为系统的研究。研究内容主要包含四个部分。
　　第一部分是气固物性、操作和设计参数对内循环床运行表现的影响。全面地研究了相关气固物性（颗粒的碰撞恢复系数、摩擦系数、杨氏模量、粒径、密度及流体的压力等）、操作条件（各腔室流化风速）和设计参数（隔板倾角、热交换腔侧墙倾角、隔板底部通道高度等）对表征装置运行表现的颗粒循环通量和气流短路通量的影响。指出系统的最小流化风速是确定各腔室中颗粒流化状态和预测装置运行表现最为重要的参数，并为装置的运行参数选择、结构的优化设计和相关过程的强化提供了一些重要信息。
　　第二部分是内循环床颗粒混合机理及其影响因素分析。分析了内循环床内颗粒混合发展过程，阐述了混合发展的各个阶段及不同混合机理在时间和空间上的作用范围。此外，对相关设计、运行及颗粒物性参数对装置内颗粒混合过程的影响进行了量化分析。并在相同流化风量下对比了内循环床和对应的均匀配风鼓泡床内颗粒混合过程发展，发现内循环床在颗粒混合方面有一定优势。
　　第三部分是内循环床腔室内置埋管的研究:对加入埋管后装置内颗粒流动、混合过程进行了定量分析。并对比了颗粒循环时间、颗粒在各腔室内的停留时间随布置埋管的数量和位置不同而产生的变化。此外，还对各腔室中埋管磨损的圆周分布规律进行了分析，为工程实践提供了一些参考。
　　第四部分是三维循环流化床气固流动细节及提升管截面形状对装置内气固流动影响的研究。尝试用数值模拟方法揭示循环流化床内气固流动细节，对时均固含率、时均气固速度及其通量、时均压力、颗粒速度脉动强度等重要物理量在装置内的分布按照从整体到局部的规律系统地进行阐述，并重点对方形和圆形截面提升管的循环流化床内气固流动特征的异同点进行对比。此外，还计算了提升管中颗粒扩散运动及相关受力、转动信息，并分析了不同操作风速下颗粒的扩散、受力及转动等产生的变化，讨论了这些信息作为装置内流型转变判据的可能性。

目录

声明

致谢

论文说明

摘要

术语表

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 气固两相流分类

1．1．2 稠密气固两相流的研究内容及相关数值研究方法

1．1．3 离散元-大涡模拟方法(DEM-LES)概述

1．2 离散元-大涡模拟与内循环流化床

1．2．1 内循环床简介

1．2．2 气固流动特性

1．2．3 颗粒的混合和扩散

1．2．4 装置的优化和改进

1．3 离散元-大涡模拟与循环流化床

1．3．1 循环流化床简介

1．3．2 气固流动特性

1．3．3 颗粒的混合和扩散

1．3．4 装置结构的优化和改进

1．3．5 循环流化床数值模拟现状

1．4 本章小结

第二章 数学模型和数值方法

2．1 控制方程组

2．1．1 连续相控制方程

2．1．2 离散相控制方程

2．1．3 气固相间耦合曳力模型

2．1．4 DEM-LES耦合计算流程其他数值设置

2．2 数值方法验证-典型鼓泡流化过程模拟

2．2．1 鼓泡流态化基础算例模拟

2．2．2 重要参数对模拟结果的影响

2．3 本章小结

第三章 内循环床气固流动特征及气固物性、操作条件和设计参数对装置运行的影响

3．1 隔板型内循环床流动特征及内循环机理

3．1．1 内循环床基础算例工况及数值设置

3．1．2 内循环床气固流动特征及内循环机理

3．2 气固物性参数对内循环床运行的影响

3．2．1 气固物性参数对内循环床运行影响的模拟工况

3．2．2 流体物性(床压)对内循环床运行的影响

3．2．3 颗粒物性参数对内循环床运行的影响

3．2．4 气固物性对内循环床运行影响的进一步讨论

3．3 操作条件和设计参数对内循环床运行的影响

3．3．1 操作条件和设计参数对内循环床运行影响的模拟工况

3．3．2 操作条件对内循环床运行影响的模拟结果

3．3．3 设计参数对内循环床运行影响的模拟结果

3．4 本章小结

第四章 内循环床内颗粒混合特性的研究

4．1 数值方法检验和验证

4．1．1 混合的量化评价标准

4．1．2 数值验证模拟工况及验证结果

4．2 内循环床颗粒混合的模拟研究

4．2．1 内循环床颗粒混合模拟工况

4．2．2 混合过程及混合机理分析

4．2．3 影响混合指数的重要参数确定

4．2．4 示踪颗粒床内典型运动特性分析

4．3 不同参数对内循环床内颗粒混合特性的影响

4．3．1 不同参数对内循环床内颗粒混合特性影响的模拟工况

4．3．2 非均匀配风设置对颗粒混合特性的影响

4．3．3 颗粒物性对颗粒混合特性的影响

4．3．4 隔板底部通道大小对颗粒混合特性的影响

4．3．5 不同床体厚度对颗粒混合的影响

4．3．6 不同床型对颗粒混合特性的影响

4．4 本章小结

第五章 内循环床内置埋管的研究

5．1 内循环床内置埋管研究的模拟工况

5．2 布设埋管对气固流动特性的影响

5．3 布设埋管对装置运行的影响

5．4 布设埋管对颗粒循环时间的影响

5．5 布设埋管对颗粒在各腔室内停留时间的影响

5．5．1 布设埋管对颗粒在反应腔中停留时间的影响

5．5．2 布设埋管对颗粒在热交换腔中停留时间的影响

5．6 布设埋管对颗粒混合的影响

5．7 内循环床中埋管的磨损

5．8 本章小结

第六章 循环流化床气固流动特征的DEM-LES模拟研究探索

6．1 离散元-大涡模拟方法在快速流态化中的适用性验证

6．1．1 模拟验证算例工况

6．1．2 模拟验证算例结果及讨论

6．2 不同提升管截面形状循环流化床内气固流动的三维模拟

6．2．1 模拟工况

6．2．2 模拟结果对网格尺度及统计时间的独立性分析

6．2．3 装置内瞬时流动特征

6．2．4 外循环回路时均流动特征

6．2．5 装置及提升管内时均流动特征

6．2．6 颗粒在装置内的循环时间及提升管内的停留时间

6．2．7 提升管内颗粒的扩散系数

6．2．8 提升管内颗粒受力及转动分析

6．3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 本文工作的创新点

7．3 工作展望

参考文献

作者简历