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气固流化床的实验与模拟研究

杨富军  
【摘要】:稠密气固流动是普遍存在的物理现象。作为化工和热能动力领域中广泛使用的装置,鼓泡流化床的流动就是典型的稠密气固流动。床内的传热、燃烧和磨损等过程都是在这种流动的基础上发生和发展的。因此,关于流化床的流体力学特性和气固两相相互作用规律,长期以来一直是一个重要的研究课题。同时,人们进一步发展了建立在流体力学基础上的数值模拟方法,成为试验研究手段的一个重要补充。 本文首先讨论了数值模拟过程中网格划分、边界条件、松弛因子和时间步长对结果的影响,得出了适合本文模型的相关设置。在此基础上分析了Euler-Euler多相流模型中几种曳力模型,研究了空隙率和颗粒雷诺数对曳力的影响。发现Zhang等和Gidaspow模型所得结果的非均匀流动性明显高于Syamlal和WenYu模型,其原因可能在于前两种曳力模型在空隙率临界点处不连续或突变的特性。 应用Euler-Euler模型,研究了密相鼓泡流化床的流动非均匀性。结果表明,恢复系数和曳力是影响流化床内非均匀流动结构的主要因素。恢复系数在能量方面主要表现在对颗粒碰撞耗散和动能的影响。曳力表征气固之间的作用力,决定了床层的膨胀高度,在能量方面主要表现为对动能和势能的影响。二者对流动结构影响的对比来看,曳力的影响起主导作用。 在以上分析的基础上,应用Euler-Euler模型对D类颗粒的流化过程进行了模拟,并从流化状态、床层膨胀比、床层压降及功率谱几方面与实验进行对比。结果表明,二维模拟结果中床层膨胀比与实验值变化趋势一致,但高于实验值;床层压降和压力脉动功率谱与实验结果基本一致。三维模拟的结果则与实验较接近。从Froude准数和能量的角度分析,二维结果的Froude准数和动能低于三维结果,势能则高于三维结果,在结果中表现为较弱的非均匀流动性和较高的床层膨胀比。 实验研究了两种粒径组合的双组分流化系统,分析了起始流化速度、压力脉动、功率谱及主频变化。结果发现,相同体积分率比例条件下,平均粒径越大, 气固流化床的实验与模拟研究 起始流化速度也越大,越不容易流化。因此压力脉动的幅值越小,主频也越小。 对双组分流化系统,也进行了探索性的模拟研究,通过调整颗粒间的曳力,获得 了与实验数据较吻合的结果。 关键词:气固流化床 D类颗粒 Euler一Euler模型 双组分 曳力模型恢复系数


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