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循环流化床颗粒团聚作用的气固两相流动数值模拟

沈志恒  
【摘要】: 在气固两相流动中,气体和颗粒之间的相互作用力主要包括曳力、压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、Magnus力、Saffman力以及热泳力等。其中,曳力是最重要的气固相间作用力。目前,对气固相间曳力的研究已经成为气固两相流动研究的热点。然而由于气固相间的相互作用十分复杂,对气固相间曳力的理论分析仍然具有提高和改进之处。 在双流体模型中,气固相间曳力的计算主要采用基于系统平均化方法提出的曳力模型,然而研究结果表明在循环流化床稠密气固两相流动中,颗粒存在非均匀流动结构。因此,有必要完善和发展基于颗粒多尺度结构特征的气固相间曳力模型并应用于稠密气固两相流动的数值模拟。 基于气体分子动力学的Boltzmann方程,引入单松弛的BGK碰撞算子,推导出计算气体流动的LBGK模型。同时,引入格子粒子与颗粒之间的动量交换来考虑气固相间的作用力。固体颗粒的运动由牛顿第二定律计算得到。壁面采用具有二阶计算精度的半步长反弹边界条件。建立了适用于气固两相流动的格子Boltzmann-离散颗粒运动模型。 应用格子Boltzmann-离散颗粒运动模型数值模拟颗粒群的运动过程,得到了颗粒群在运动过程中曳力系数的变化规律。研究了颗粒群所受到的气动力、颗粒群滑移速度随颗粒群空隙率的变化,以及颗粒群曳力系数随颗粒群空隙率和颗粒群雷诺数的变化。提出了基于颗粒群效应的曳力系数修正因子与空隙率的变化关系。计算结果与Yang等模型以及Wen和Yu模型的计算结果趋势相一致。同时研究结果表明入口气体速度、颗粒直径、颗粒间距和颗粒排列方式对颗粒群曳力系数的变化影响很小,可以忽略不计。本文提出了考虑颗粒群效应的气固相间曳力系数的计算方法,数值研究提升管内气固两相流动特性。模拟结果表明基于格子Boltzmann-离散颗粒运动模型提出的气固相间曳力模型能很好地反映出提升管内颗粒的非均匀流动特性,其计算结果与实验结果相吻合。 从颗粒非均匀流动结构中各个尺度内能量守恒的角度出发,建立了气固两相流系统的整体和局部参数与气固相间曳力的相互关系,提出了基于颗粒悬浮输送能量最小的曳力模型。并将其应用到欧拉-欧拉双流体模型中,以解决气固相间曳力,使动量方程中的气固相间作用项封闭。数值模拟循环流化床内气固两相流动特性。得到了时均颗粒浓度、气体速度和颗粒速度的分布;以及颗粒团聚物在床内的分布特性。同时得到的时均颗粒相密度和颗粒质量流率沿径向的分布与Knowlton等的实验结果相吻合。分析了瞬时颗粒浓度随时间的变化规律。将计算结果与EMMS曳力模型的计算结果进行对比,结果表明应用基于颗粒悬浮输送能量最小的曳力模型使床内的平均颗粒浓度降低,从而影响到颗粒拟温度、颗粒粘度、颗粒压力和颗粒热传导系数的变化。 应用欧拉-欧拉双流体模型,应用颗粒动理学模拟颗粒相流动,k-ε模型模拟气体湍流流动,气固相间曳力采用基于颗粒悬浮输送能量最小的曳力模型模拟,数值研究1025t/h循环流化床锅炉炉膛内气固流动特性。得到了不同炉膛截面的颗粒分布规律。分析了循环倍率对炉内颗粒流动特性的影响。采用气固化学反应模型,研究了循环流化床锅炉炉膛内的碳燃烧反应特性;得到了炉膛内O2、CO2和CO的质量分数以及气体温度的分布规律。同时研究了二次风射流对炉内气固流动特性的影响。结果表明不同的二次风布置方式对炉膛内颗粒的流动特性有很大影响。同时提出二次风射流在炉内穿透深度的计算公式。


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