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移动床中固体颗粒运动与传热的研究

武锦涛  
【摘要】:颗粒材料在自然界中广泛存在,在各种工业过程中也有广泛的应用,以化学工业为例,其产品的一半、原材料的3/4为颗粒状物质,现代化工中若干前沿发展也与颗粒学有关,例如材料、制药、生化和环境等。但是人们对颗粒系统中的许多现象认识还不深,据估计在相关的工业部门,单由输送颗粒材料遭遇的问题所带来的工业设备利用能力的浪费就高达40%,远远达不到优化设计和节能的要求。因此研究颗粒系统中的各种传递过程是化学工程研究领域的前沿,极富有挑战性。本论文以颗粒随机运动模型(PKM)、离散元模型(DEM)和颗粒接触传热模型为研究手段,以颗粒移动床为研究对象,从不同尺度、不同角度研究了移动床中的动量传递和热量传递过程,拓展了原有模型的应用范围,提出了新的概念和理论。研究具有重要的理论意义,对移动床的优化、设计也具有重要的实用价值。 移动床在散体物料储存、多相反应、物质分离等领域有着广泛的应用,要有效的设计移动床就需要对颗粒物料间的各种传递过程的特性有深入的了解。传统的实验方法可以获得颗粒系统的一些特性,得到相应的经验关联式,但是要深入的了解颗粒系统的本质特征所需要的实验费用十分昂贵。近年来随着计算机成本的不断降低,越来越多的研究可以通过计算机模拟来完成,在保证结果准确性的同时,大大降低了研究成本。本论文采用了计算流体力学的方法,研究了移动床中的动量和热量传递过程,主要开展了以下几个方面的工作: 1.颗粒随机运动模型(PKM)是从纯运动学的角度考察颗粒的运动,其形式简单,只有一个模型参数——运动常数B,而且B只与颗粒的大小有关,因此十分便于工程的实际应用。本论文建立了一个2-D实验移动床,通过与实验结果的对比,确定运动常数B的最优值为颗粒直径的2.5倍。传统的PKM模型未考虑移动床壁面对颗粒运动的影响,只适用于中心卸料过程。本论文利用Lie群变换的方法求取了模型方程相似解的一般形式,将相似解对x求一阶导数后发现颗粒运动的最大速度分布在x=0的线上,因此本论文采用移动坐标的方法来解决偏心卸料问题。按照该思想对PKM模型进行修正,模拟结果与实验结果吻合的很好,拓展了该模型的应用范围。 2.PKM模型虽然形式简单,但是对形状复杂的流场很难得到准确的结果,并且只能模拟稳态过程的问题。DEM方法是在颗粒角度上考察各种量的变化,其主要优点是可以基于基本的数据来模拟复杂系统而不必采用过分的简化假设,能够更好地反映一些过程的本质,并且与PKM模型相比,模拟得到的颗粒运动轨迹即为颗粒的实际运动历程,同时可以很容易地将时间因素考虑进来,因此有


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