流化床气固两相流动的冷态实验及数值模拟研究

【摘要】：流态化技术已经在能源、化工等领域得到广泛的应用,但由于流化床内部两相流动、传热及化学反应的物理机理和作用规律复杂性,目前为止对流化床的认识还远不能令人满意。本文以循环流化床为对象,研究流化床内两相流动流场的流动现象;自行设计并建立了一套冷态实验装置,并从不同方面对流化床内部的流动进行了实验和数值模拟研究。冷态实验结果表明:流化床内同一高度截面与基准面之间的压差是随风量的增加而增加的,但是风量过于增大反而使同一高度截面与基准面之间的压差减小了,同时,压差是随初始物料量的增加而逐渐增加的;在同一高度截面上,颗粒平均浓度随风量的增大而逐渐减小的,随物料量的逐渐增大而增大的;颗粒浓度分布的不均匀性随风量的增大而逐渐减小,而随物料量的增加而不断增大的。同时本文运用大型流体工程仿真计算商业软件Fluent对实验台进行了模拟研究;联合使用了机械制图软件solidworks和流体仿真计算前处理软件gambit进行了网格划分,采用了气固双流体欧拉模型,克服了以往由于几何建模困难和模型选择不当问题而导致模拟结果不理想的局限。模拟采用非稳态,分离求解式,使与实际比较接近。首先对流化床的密相区进行了单个气泡的模拟,得到了气泡的产生、发展及爆破过程,接下来对整个流场进行了模拟,模拟计算结果表明,即使对于相同的气体表观速度和固体物料循环量,初始存料量不同,也会出现不同的床层空隙率的轴向分布情况,说明了在以往的一些研究者的模拟中,只是给定气体表观速度和固体循环量来研究空隙率是不确切的;炉膛(提升管)截面为矩形并且底面全部进气的流场和截面为圆面并且中心射流的流场的都存在大的内循环,但是它们的内循环是不同的,循环方向相反;炉膛顶部单侧出口形成了颗粒浓度最大值的偏移、颗粒速度的偏移、湍动能的偏移以及湍动能耗散率的偏移。这些模拟结果期望着能为为试验装置的优化及改进提供了良好的帮助和理论基础。