撞击式浓淡燃烧器及弯管内气固多相流动特性的研究

摘要

该文在国内外工作的基础上，对弯管和可调浓度撞击式浓淡煤粉燃烧器内的气固多相流动进行了较深入的研究。首先，该文根据实验，探讨了壁面多相流动的特性，之后，在前人工作的基础上，创新性的提出了较为完善的考虑了壁面粗糙度旋转等因素的颗粒和壁面及颗粒和颗粒之间的随机碰撞模型，首次提出了粗糙度的脉动高度、脉动同期和脉动粗糙角的概念，从而逼真地实现了壁面粗糙度的模拟，克服以往模型在对壁面粗糙度及反弹角的处理上随机性差的缺点，因而更符合物理实际。在颗粒和颗粒的随即碰撞模型中，通过严格的数学推导，首次证明了颗粒间碰撞的概率大体与容积浓度成线性关系，约等于容积浓度除以0.74，颗粒速度对其影响较小。给出了虚拟颗粒粒径及速度的正确确定方法，纠正了其它模型在处理这个问题时割裂虚拟颗粒粒径及速度的有机联系的错误做法，并采用国际上领先的脉动频谱随机轨道模型(FRST模型)，编制了基于拉格良日方法的大型颗粒程序。然后，该文在三维贴体下，对90方截面弯管和40、90、120、180四种圆截面弯管内的气固多相流动进行了数值模拟，探讨了来充速度、曲率、源项耦合、档板及其位置对内气相轴向速度、二次流及颗粒速度、浓度、粒径分布、分离结果的影响，并给出了可供工程应用的方截面弯管的颗粒分离回归公式。接着，该文对撞击式可调浓度燃烧器内的气固多相流进行了实验和数值计算。研究了来流速度、撞击块高度、档板位置对气相速度及档板两则配风均匀性和颗粒轴向速度、浓度、粒径分布、分离效果的影响，同样给出了可供工程应用的不同撞击块高度下的颗粒分离浓淡比的回归公式。最后，该文对90方截面和圆截面弯管内管壁受颗粒的冲蚀磨损进行了数值模拟，给出了不同来流速度、不同粒径下方截面弯管的最大靡损位置及磨损量，研究了档板对磨损的影响，并给出了圆截面弯管的沿程及横截面周向的磨损情况。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

§1.1前言

§1.2气固多相流的工程应用

§1.3气固多相流的基本理论

§1.3.1气固多相流的分类

§13.2单向耦合和双向耦合

§1.3.3气固两相流的流动特性参数

§1.3.4研究气固多相流应注意的问题

§1.4气固多相流的研究方法

§1.4.1气固多相流的模化及测试技术

§1.4.2气固多相流的数值模拟

§1.5煤粉的浓淡燃烧技术

§1.5.1浓淡燃烧方式的稳燃原理

§1.5.2浓淡燃烧方式的低NOx生成原理

§1.6文献综述

§1.6.1弯管内气相流动

§1.6.2弯管内气固两相流动

§1.6.3新型煤粉燃烧器

§1.6.4固体颗粒对材料表面的冲蚀磨损

§1.7本文的工作背景和主要内容

第二章弯管及燃烧器内气相和气固两相流动及管内冲蚀磨损的理论模型及数值解法

§2.1单相流体模型及数值解法

§2.1.1直角坐标下的控制微分方程组

§2.1.2贴体坐标下的控制微分方程组

§2.1.3边界条件的给定方法

§2.1.4单相流体控制微分方程组的数值解法

§2.2多相流体模型及数值解法

§2.2.1脉动频谱随机颗粒轨道模型（FRST 模型）及数值解法

§2.2.2固体颗粒在流场中的受力模型

§2.2.3固体颗粒在流场中的旋转模型

§2.2.4湍流和固体颗粒的相互作用

§2.2.5壁面多相流动的特性

§2.2.6颗粒源项计算的及耦合

§2.2.7颗粒相边界条件和进口条件

§2.2.8颗粒相的浓度场和速度场的确定

§2.3颗粒和壁面的随机碰撞模型

§2.3.1颗粒和壁面的碰撞对气固两相流的影响

§2.3.2影响颗粒和壁面碰撞的因素

§2.3.3现有的颗粒和壁面碰撞原型

§2.3.4颗粒和壁面的随机碰撞模型

§2.4颗粒和颗粒的随机碰撞模型

§2.4.1颗粒间碰撞对气固两相流的影响

§2.4.2影响颗粒间碰撞的因素

§2.4.3现有的颗粒间碰撞模型

§2.4.4颗粒和颗粒的随机碰撞模型

§2.5颗粒对壁面的冲蚀磨损

§2.5.1冲蚀磨损研究的发展历史

§2.5.2冲蚀磨损的分类

§2.5.3冲蚀磨损的影响因素

§2.5.4冲蚀模型

§2.5.5冲蚀磨损的数值计算步骤

第三章方截面弯管内的气固多相流动

§3.1引言

§3.2计算工况简介

§3.3方截面弯管内气相场的计算结果与分析

§3.3.1计算结果与实验结果的比较

§3.3.2来流速度为52.19m/s时方截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§3.3.3来流速度为33.09m/s时方截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§3.3.4曲率变化对方截面弯管内气相轴向速度及二次流的影响

§3.3.5源项耦合对方截面弯管气相速度场的影响

§3.3.6方截面弯管内加档板后的气相轴向速度及二次流速度分布

§3.3.7档板在不同位置对的方管内气相轴向速度及二次流速度分布

§3.4方截面弯管内颗粒相的计算结果与分析

§3.4.1计算结果与实验结果的比较

§3.4.2来流速度为52.19m/s时的方截面弯管内的颗粒运动轨迹和速度、浓度、粒径分布

§3.4.3来流速度为33.09m/s时方截面弯管内的颗粒运动轨迹和速度、浓度、粒径分布

§3.4.4曲率变化对方截面弯管内的颗粒运动轨迹和速度、浓度、粒径分布的影响

§3.4.5源项耦合和颗粒间碰撞对方截面弯管内颗粒速度的影响

§3.4.6方截面弯管内加档板后的颗粒运动轨迹和速度、浓度、粒径分布

§3.4.7档板位置对档板出口处颗粒速度、浓度、粒径分布的影响

§3.4.8档板位置对不同粒径颗粒分离结果的影响及分离回归公式

§3.5本章小结

第四章圆截面弯管内的气固多相流动

§4.1引言

§4.2计算工况简介

§4.3圆截面弯管内气相场的计算结果与分析

§4.3.1计算结果与实验结果的比较

§4.3.2来流速度为21m/s时90°圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.3来流速度为14m/s时90°圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.4曲率变化对圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布的影响

§4.3.5 90°圆截面弯管内加档板后的气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.6 45°圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.7 45°弯管内加档板后的气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.8 120°圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.9 120°圆截面弯管内加档板后的气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.10 180°圆截面弯管内气相轴向速度及二次流速度分布

§4.3.11 180°圆截面弯管内加档板后的气相轴向速度及二次流速度分布

§4.4圆截面弯管内颗粒相的计算结果与分析

§4.4.1计算结果与实验结果的比较

§4.4.2圆截面弯管内无档板时的颗粒速度、浓度和粒径分布

§4.4.3圆截面弯管内加档板后的颗粒速度、浓度和粒径分布

§4.5本章小结

第五章可调浓度煤粉浓淡燃烧器的实验及数值模拟

§5.1引言

§5.2实验简介

§5.3计算工况简介

§5.4可调浓度燃烧器内气相场的实验及数值模拟结果分析

§5.4.1可调浓度燃烧器内气相场的实验结果及分析

§5.4.2可调浓度燃烧器内气相场的计算结果及分析

§5.4.3可调浓度燃烧器内气相场的计算结果与实验结果的对比

§5.5可调浓度燃烧器内颗粒相的实验及数值模拟结果分析

§5.5.1可调浓度燃烧器内颗粒浓度分布的实验结果及分析

§5.5.2可调浓度燃烧器内的颗粒运动轨迹

§5.5.3可调浓度燃烧器内的颗粒轴向速度分布的计算结果及分析

§5.5.4可调浓度燃烧器内的颗粒浓度分布的计算结果及分析

§5.5.5可调浓度燃烧器内颗粒粒径分布的计算结果及分析

§5.5.6可调浓度燃烧器的浓淡比的计算结果与实验结果的对比及回归公式

§5.6本章小结

第六章弯管内颗粒对壁面的冲蚀磨损

§6.1引言

§6.2计算工况简介

§6.3方截面弯管内冲蚀磨损的计算结果与分析

§6.3.1来流速度为52.19m/s时弯管和的磨损

§6.3.2来流速度为33.09m/s时方截面弯管的磨损

§6.3.3方截面弯管加档板后的磨损

§6.3.4档板位置对管内磨损的影响

§6.4圆截面弯管内冲蚀磨损的计算结果与分析

§6.4.1圆截面弯管无档板时的磨损

§6.4.2圆截面弯管加档板的磨损

§6.5本章小结

附图

第七章结论与展望

符号表

参考文献

作者在攻读博士学位期间所发表的论文目录