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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


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