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《清华大学》 2000年
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气固两相流动数值模拟及其非线性动力学分析

程易  
【摘要】:气固流态化技术在化工、石油化工以及能源等领域取得了许多重大的进 展。近些年来,尤其以高速流态化过程如提升管和下行床的研究和应用倍受关 注。但是,由于气固两相流动过程非常复杂,反应器的设计和放大目前仍依赖 于经验或半经验。 本论文使用先进的计算流体力学模拟和非线性分析的方法针对几个重要的 流态化过程研究了系统的时均流动行为和瞬态脉动行为,从不同的角度深层次 地揭示了气固两相流动过程。 论文第一部分根据下行床中气固两相快速流动和颗粒浓度较高的特点,推 导并建立了湍流气相-湍流颗粒相的气固两相流动模型(k-ε-θ-k_p)。该模型引入 颗粒相动力学理论描述了颗粒碰撞产生的颗粒粘度和颗粒压力,并且综合考虑 了气固两相湍流,即气相采用k-ε湍流模型描述,颗粒相采用k_p湍流模型,因 此完善了对气固两相流动的模型描述。针对气固两相管流过程,本文提出的壁 效应假设是气固两相反应器放大的一个新思路,即认为颗粒相以非弹性碰撞的 机制在边壁处耗散能量,边壁只对近壁区流动产生影响,对管内流场的影响从 壁面向床中心逐渐扩展并减弱。由于上述模型耦合了气固两相的湍流描述和颗 粒间的碰撞作用,因此适合于描述在广泛的操作范围内的气固两相管流过程。 与同类计算流体力学模型相比,该模型在学术价值以及用于工程模拟气固两相 流动方面更具有优越特性。 本文开发了3维流场下模型求解计算程序,使用上述模型成功地预测了下 行床完全发展段气固两相径向流动结构,以及均匀入口条件下的下行床内气固 两相流动沿轴向的发展过程。模型预测的颗粒浓度和颗粒速度的径向分布以及 压力的轴向分布与大量的前人的实验研究获得满意的比较结果。进一步地,用 此模型对下行床完全发展段的放大行为进行了预测,预测结果合理。这为深入 考察下行床的放大以及下行床的工业化提供了理论支持。 考虑到下行床适于超短接触过程的特点,本文针对单一颗粒射流的下行床 入口结构,使用光纤密度探头和激光多普勒测速仪详细研究了下行床入口段颗 粒射流的发展过程。用k-ε-θ-k_p模型成功地预测出该2维流场的大量气固两相 ) \ 摘 要 流动规律,模型预测与实验结果吻合很好。这为下行床复杂入日结构的设计和 反应器的开发奠定了基础。实验和计算流体力学的研究同时发现,下行床中颗 粒相的质量扩散系数与局部颗粒含率存在很强的关联,低颗粒含率条件下,颗 粒的径向扩散系数较大,但随着颗粒含率的提高,扩散系数降低且在一定的颗 粒含率范围内基本保持不变。这为深入理解下行床中的颗粒混合行为提供了一 个新的方法。 论文的第二部分对较宽的气固两相操作过程中局部瞬态行为进行了非线性 动力学的比较分析。结果表明,瞬态行为的统计分析结果和混沦参数能够正确 地表征流动结构,而且从另一个角度揭示了时均流动结构的特点,也是对时均 流体力学深层次刻划的一个重要突破口。 大量数据的分析表明,采用局部瞬态行为分析可以对湍床、快床和输送床 在内的气固并流上行过程以及下行床的发展段进行统一的对比分析。间歇指数 和 Kolmogorov嫡与局部颗粒含率具有明确的关联。当局部颗粒含率低于或高 于0刀5左右时,局部的系统动力学行为存在明显的不同。对气固两相流动在不 同的颗粒浓度范围可能具有不同的局部动力学相似行为的定量表述是本工作的 另一个创新点。 作为瞬态行为)「线性分析的一个前沿应用,本文以鼓泡流化床中混沦鼓泡 行为的控制为切入点,探索研究了一个极具挑战性的新领域—-混if h控制。在)Q 期扰动进气的条件下,系统中混炖的鼓泡行为转变为周期的动力学行为,而0 随着驱动频率的不同,系统中出现不同的鼓泡模式。同时2维和3雏流化床中 的周期鼓泡行为表现形式有所不同。这种在周期的外加扰动下,(「线性系统表 现出的有序运动状态暗示了气固两相受迫运动下的重新组织过程。对这一全新 物理现象的理解将有助于更深入地认识两
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:O359

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 王雷,李强,张琪皓,罗国华,魏飞;气固下行床催化裂化(裂解)反应的应用研究[J];化工进展;2003年04期
2 卢竟蔓;蓝兴英;徐春明;高金森;;颗粒温度计算方法对FCC颗粒湍动床数值模拟的影响[J];化工进展;2011年S1期
3 杨艳辉,邓任生,魏飞,金涌;气固并流下行床反应器出入口结构研究现状与展望[J];过程工程学报;2001年01期
4 郑雨,万晓涛,魏飞,金涌;提升管内气固双流体模型的计算模拟[J];过程工程学报;2001年03期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 曹玉春;流化床垃圾焚烧炉内流动和燃烧污染物生成数值模拟研究[D];浙江大学;2005年
2 王正阳;回料流和二次风射流对循环流化床流动与燃烧特性的影响[D];哈尔滨工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘强;新型生物质旋流燃烧器的数值模拟和实验研究[D];华北电力大学(北京);2011年
2 刘明辉;加压流化床流体力学性能研究及CFD数值模拟[D];北京化工大学;2011年
3 韩彦杰;固体热载体气力输送的数值模拟[D];昆明理工大学;2011年
4 汤颜菲;丙烯聚合多区流化床反应器内气固流动行为的数值模拟[D];浙江大学;2006年
5 李润之;瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的研究[D];煤炭科学研究总院;2007年
6 帅群;小型提升管气固两相流冷模实验及数值模拟研究[D];中国石油大学;2007年
7 张欢;多产低碳烯烃变径提升管数值模拟研究[D];中国石油大学;2008年
8 秦建秀;生物质共燃的旋流燃烧器内气固两相流的数值模拟[D];华北电力大学(北京);2010年
9 陈倩倩;提升管反应器流动—反应耦合模拟[D];中国石油大学;2010年
10 刘腾云;冷吹除雪机气固两相流数值分析[D];吉林大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 钟文琪,熊源泉,袁竹林,章名耀;喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟[J];东南大学学报(自然科学版);2005年05期
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4 樊建人,郑友取,岑可法;三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟[J];工程热物理学报;2001年02期
5 罗坤,樊建人,刘兰,岑可法;直接模拟离散颗粒对湍流射流的影响[J];工程热物理学报;2005年04期
6 闫洁;樊建人;岑可法;;三维射流中颗粒与流体的双向耦合作用[J];工程热物理学报;2009年06期
7 李秀国;王东方;钮锋;刘平;;粉体密相管道气力输送特性研究[J];锅炉制造;2010年03期
8 魏飞,陈卫,金涌,俞芷青;循环流化床提升管中固体颗粒停留时间的分布[J];高校化学工程学报;1996年03期
9 周如金,宁正祥;乙烯技术发展与超短接触反应器[J];广州化工;1999年04期
10 谢赤,杨妮;汇率行为的混沌性及其分形维描述[J];湖南大学学报(社会科学版);2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 李松庚;林伟刚;姚建中;;应用能量最小、多尺度方法预测下行床颗粒浓度径向分布[A];中国颗粒学会2002年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议论文集[C];2002年
2 丁同利;杨学民;谢建军;邹献武;姚建中;林伟刚;;脱灰预处理麦秸在下行循环流化床中快速热解的研究[A];2005年中国生物质能技术与可持续发展研讨会论文集[C];2005年
3 陈玖玖;赵彬;李先庭;;置换通风不同风量下颗粒分布的数值研究[A];全国暖通空调制冷2004年学术年会专题研讨会发表论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 石宝龙;高性能海船盐雾分离技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 栗晶;水平槽道气固两相湍流变动的PIV实验研究和直接数值模拟[D];华中科技大学;2010年
3 江世勇;基于混沌理论的人民币兑美元汇率研究[D];南开大学;2010年
4 闫洁;三维气固两相平板间射流中相间耦合作用的直接数值模拟[D];浙江大学;2009年
5 王则力;多相流全尺度直接数值模拟方法及应用[D];浙江大学;2010年
6 桂南;复杂两相流动中颗粒碰撞的DEM-LES/DNS耦合模拟研究[D];浙江大学;2010年
7 曾劲松;基于CFD的高浓漂白塔稀释区流场及卸料系统的研究[D];华南理工大学;2011年
8 管晓艳;水平浓淡煤粉燃烧器内气固流动特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 王友君;典型室内外环境空气污染特性研究[D];东华大学;2012年
10 刘静岩;房地产投资分析及其混沌控制研究[D];天津大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 齐笳羽;Lorenz和Raman异结构混沌系统的控制、参数识别和同步[D];辽宁师范大学;2011年
2 黄星玮;不同入口截面角旋风分离器分离特性的研究[D];安徽工业大学;2009年
3 孙玉建;内构件抑制流化床气固返混研究[D];清华大学;2010年
4 王瑜;旋转磨料射流套管开窗的数值模拟研究[D];中国石油大学;2011年
5 王康健;气固两相平面混合层的直接数值模拟及扰动波对平面混合层的影响[D];浙江大学;2004年
6 祝媛;热等离子体下行床反应器中颗粒流动特性的冷模试验研究[D];福州大学;2004年
7 黄国现;强流离子加速器中束晕-混沌和DC/DC开关功率变换器混沌系统的神经网络控制研究[D];广西师范大学;2004年
8 许明;超重力旋转床中的气液两相流体流动和传质过程的数值模拟研究[D];北京化工大学;2004年
9 马静;生物质在下行流化床中快速热解实验研究[D];南京理工大学;2005年
10 林钊;均匀各向同性湍流附加耗散的模型与模拟[D];华中科技大学;2005年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谢灼利,张政;气力输送的数值模拟研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2001年01期
2 刘向军,徐旭常;稠密气固两相反应流的拉格朗日法[J];北京科技大学学报;2004年02期
3 高尔新,白春华,薛玉,成志辉,王礼;巷道瓦斯爆炸的计算机模拟研究[J];爆破;2003年S1期
4 浦以康,胡山,李可意;粉尘火焰加速现象的实验研究[J];爆炸与冲击;1995年02期
5 陆守香,黄涛,龙新平,范宝春;沉积粉尘的激波点火[J];爆炸与冲击;1996年01期
6 陈志华,范宝春,李鸿志;大型管中气粒两相湍流燃烧加速机理的研究[J];弹道学报;1998年02期
7 徐江荣,周志军,刘建忠,岑可法;煤粉浓淡旋流燃烧器喷口气固两相流动的数值模拟[J];动力工程;2002年05期
8 顾恬,曹汉鼎,胡兴胜;城市生活垃圾焚烧炉结构对燃烧的影响及结构选型的研究[J];动力工程;2003年01期
9 李现勇,肖云汉,蔡睿贤;城市垃圾焚烧处理的能源化技术分析[J];动力工程;2003年01期
10 李戈,池作和,潘维,岑可法;切向燃烧煤粉锅炉燃烧和污染物排放的数值模拟[J];动力工程;2003年06期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 马银亮;高浓度气固两相流的数值模拟研究[D];浙江大学;2001年
2 马丽萍;循环流化床波动信号的非线性分析[D];四川大学;2002年
3 刘安源;流化床内流动、传热及燃烧特性的离散颗粒模拟[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2002年
4 段文锋;混沌分析方法及其在气-固流化床中的应用[D];四川大学;2001年
5 漆小波;循环流化床提升管气固两相流动力学研究[D];四川大学;2003年
6 石惠娴;循环流化床流动特性PIV测试和数值模拟[D];浙江大学;2003年
7 金余其;城市生活垃圾燃烧特性及新型流化床焚烧技术的研究[D];浙江大学;2002年
8 查旭东;流化床内高浓度气固多相流动和燃烧的数值试验研究[D];浙江大学;2002年
9 黎永;循环流化床燃烧条件下焦碳反应性实验研究[D];清华大学;2002年
10 张锐;粗煤粉分离器的三维气固两相流动研究[D];吉林大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 易彬;气固循环床提升管中的压力梯度与流动行为研究[D];四川大学;2001年
2 陈亮;新型城市生活垃圾流化床焚烧炉—管式布风流化床的开发研究[D];浙江大学;2002年
3 孔春林;气固循环床提升管内颗粒浓度和速度的实验研究[D];四川大学;2002年
4 李满枝;DSMC方法在循环流化床中的数值模拟[D];西北工业大学;2004年
5 徐祥;循环流化床流动特性的数值模拟[D];东南大学;2004年
6 赵爱娃;冷气体动力学喷涂制备功能涂层射流场数值研究[D];大连理工大学;2005年
7 张文峰;丙烯气相聚合流化床反应器冷态模拟研究[D];浙江大学;2006年
8 汤颜菲;丙烯聚合多区流化床反应器内气固流动行为的数值模拟[D];浙江大学;2006年
9 刘佳;循环流化床锅炉二次风射流特性的冷态实验研究与数值模拟[D];重庆大学;2007年
10 孙伟;催化裂化反应器中气固两相流动的冷模实验研究[D];中国石油大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李大庆;吕清刚;朱建国;;粒子风选器的冷态实验研究[J];锅炉技术;2011年04期
2 郑雨,刘飞,魏飞,金涌;提升管内气粒流动行为的数值模拟[J];高校化学工程学报;2003年03期
3 司荣军;;瓦斯浓度对爆炸传播影响的数值模拟研究[J];工业安全与环保;2011年04期
4 张引合;;煤尘爆炸性鉴定分析系统研究[J];矿业安全与环保;2012年06期
5 李润之;;不同总量沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的传播规律模拟研究[J];矿业安全与环保;2013年01期
6 王伟文;周忠涛;陈光辉;李建隆;;流态化过程模拟的研究进展[J];化工进展;2011年01期
7 赵永志;程易;丁宇龙;金涌;;不同入口结构下行床内气固流动及混合行为的CFD-DEM模拟[J];化工学报;2007年06期
8 邓欣,邓任生,魏飞,金涌;螺杆式固体物料输送装置应用于下行床入口的小型实验[J];过程工程学报;2001年04期
9 朱丙田;侯栓弟;许克家;张占柱;汪燮卿;;一种新型入口结构的下行管的流体力学性能[J];过程工程学报;2006年02期
10 祝媛,张济宇,谢克昌;热等离子体裂解煤制乙炔下行反应器的研究进展[J];化学工业与工程技术;2004年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 衣华;刘宗明;部聪令;沈能耀;;水平管内颗粒气力输送的数值模拟[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(下)[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 祝红梅;医疗废物中典型组分的热解焚烧特性及回转式流化冷渣三段焚烧系统的数值模拟[D];浙江大学;2009年
2 程磊;受限空间煤尘爆炸冲击波传播衰减规律研究[D];河南理工大学;2011年
3 王立成;带导流筒搅拌槽中液—固—固三相流场的实验与模拟研究[D];天津大学;2010年
4 谢荣;整体式医疗垃圾热解焚烧炉实验研究[D];华中科技大学;2011年
5 王迎慧;磁流化床气固两相流动特性及其应用的研究[D];东南大学;2005年
6 潘澍宇;甲醇作为催化裂化部分进料的反应过程研究[D];华东理工大学;2007年
7 刘彬;有机物综合利用中的传热传质分析与应用[D];重庆大学;2008年
8 尹丽洁;稠密气固两相流双流体大涡数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 马攀;危险废物焚烧系统的数值模拟与试验研究[D];浙江大学;2012年
10 董呈杰;甲烷—沉积煤尘爆炸实验与大涡模拟[D];大连理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 包金哲;煤化工气液固多相流管道磨蚀机理及仿真预测研究[D];浙江理工大学;2010年
2 王海涛;SNCR还原剂液滴与炉内烟气混合的计算模拟及实验研究[D];浙江大学;2011年
3 王海;75t/h秸秆锅炉过热器积灰数值模拟研究[D];东北电力大学;2011年
4 赵万里;高压瓦斯泄放自燃实验研究[D];河南理工大学;2011年
5 安安;细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验研究[D];河南理工大学;2011年
6 冯珍珍;碳氢气体燃料燃烧过程中PAHs生成化学动力学模拟研究[D];郑州大学;2011年
7 杜明坤;循环流化床颗粒分级特性和射流穿透性的实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 徐令宝;小型提升管冷模模实验研究[D];中国石油大学;2011年
9 陈耀耀;稻壳火床燃烧过程研究[D];南京理工大学;2012年
10 祝媛;热等离子体下行床反应器中颗粒流动特性的冷模试验研究[D];福州大学;2004年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 方锦清;超混沌、混沌的控制与同步[J];科技导报;1996年04期
2 方锦清;超混沌同步及其超混沌控制[J];科学通报;1995年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈越南,张树道;气固两相射流的数值研究[J];水动力学研究与进展(A辑);1993年04期
2 杨任刚,张东东,何枫,许宏庆;气固两相自由射流的瞬态流场研究[J];实验流体力学;2005年01期
3 周泽宣,林建忠;高浓度气固两相射流的稳定性研究[J];科技通报;1999年03期
4 李洁;任兵;陈伟芳;;稀薄流过渡区气固两相喷流的建模与数值模拟[J];空气动力学学报;2005年04期
5 高雪莲,王国玉,刘淑艳,阎为革,潘书杰;旋转自洁式空气滤清器内部气固两相流场的计算与分析[J];北京理工大学学报;2003年06期
6 姚文俊;何正浩;邓鹤鸣;;气固两相体放电对电力系统外绝缘的影响[J];中南民族大学学报(自然科学版);2012年02期
7 常见虎;周长省;李军;郑健;;推力矢量发动机气固两相内流场数值模拟[J];系统仿真学报;2008年04期
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9 张东东,许宏庆,何枫;气固两相射流瞬时速度场和浓度场的PIV研究[J];清华大学学报(自然科学版);2003年11期
10 朱博;王强;郭慧军;张潇玲;杜明俊;;基于双欧拉模型的流化床气固两相流场数值模拟[J];大庆石油学院学报;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
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3 冯毓清;许保华;张思军;余艾冰;Zulli P;;不同粒径颗粒在流化床中偏析及混合行为的模拟[A];中国颗粒学会2002年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 程易;气固两相流动数值模拟及其非线性动力学分析[D];清华大学;2000年
2 夏钧;气固两相平面湍流射流的直接数值模拟[D];浙江大学;2002年
3 姚军;气固两相圆柱绕流的直接数值模拟和肋条弯管抗磨机理的数值试验研究[D];浙江大学;2002年
4 罗坤;气固两相自由剪切流动的直接数值模拟和实验研究[D];浙江大学;2005年
5 曾卓雄;密相可压气固两相湍流流动的理论分析及其数值模拟[D];西安交通大学;2001年
6 易富兴;气相/煤粉气固两相圆射流燃烧的直接数值模拟[D];浙江大学;2012年
7 赵勇纲;短管道中气相及气固两相平均流速测量方法研究与应用[D];华北电力大学;2014年
8 查旭东;流化床内高浓度气固多相流动和燃烧的数值试验研究[D];浙江大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 许怀丽;气固两相体放电及其应用研究[D];华中科技大学;2006年
2 周樟华;浓淡气固两相射流扩散规律研究和炉内防结渣技术[D];浙江大学;2006年
3 吴剑波;静电网格法的气固两相流场测量[D];浙江大学;2012年
4 蔡芬;细粉加料装置料腔内气固两相流场的数值模拟分析[D];华中科技大学;2011年
5 褚开维;流化床中气固两相相互作用行为的数值模拟[D];西安建筑科技大学;2001年
6 楚海建;含气固两相夹杂复合材料宏观本构关系的研究[D];扬州大学;2002年
7 刘朋;流化床内稠密气固两相湍流流动特性的研究[D];大连海事大学;2012年
8 刘虎;PDA接收方式和参数对气固两相流场测量影响的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 陈玉忠;煤粉自由射流气固两相燃烧的数值模拟[D];重庆大学;2003年
10 兰中秋;电站锅炉尾部烟道湍流气固两相流场的数值模拟[D];重庆大学;2003年
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