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液固散式流态化特性的CFD模拟及实验验证

张仪  
【摘要】:液固流化床凭借其良好的颗粒混合与过程传递特性已在能源、化工和环保等诸多领域得到广泛应用,该装置内热量、质量传递及化学反应性能与其复杂的非线性流体动力学特性密切相关。本论文以具体实验测量结果和典型文献报道数据为基础,运用欧拉-欧拉双流体模型方法考察液固体系的散式流态化特性,重点分析曳力模型选择对稳态流化特性和相间作用力模型对床层动态特性的影响行为,进而比较三种典型双流体模型对液固体系散式流化特性的预测性能。旨在为该类装置的设计、放大及其运行优化提供理论依据和相关基础数据。首先搭建实验室规模液固流态化实验平台,以水-玻璃珠体系为考察对象,研究矩形流化床内液固两相流动特性。实验测定的床层整体固含率与Richardson-Zaki经验公式预测结果平均相对误差低于5%,验证了实验装置与测量方法的可靠性。以本论文实验结果为基础,基于颗粒动理学理论模拟了液固体系在稳定流化状态下的流体动力学特性,结果表明曳力模型对时均床层膨胀高度的模拟结果影响较大,预测的固相均方根速度在垂直方向和水平方向上的分量分别呈现“中心低壁面高”和“中心高壁面低”的相反趋势。在本论文研究范围内,颗粒动理学理论中固相粘度模型和颗粒-颗粒碰撞恢复系数对时均整体固含率的模拟结果影响极小,上述核心模型和关键参数对颗粒运动特性的模拟结果影响较小。进而探索了相间作用力模型对床层动态流动特性模拟结果的影响。CFD结果表明床层动态变化包括收缩和膨胀两种类型,其中收缩过程中Syamlal-O'Brien和TGS曳力模型预测的响应时间较为准确,而TGS曳力模型对整体固含率的预测精度较高;膨胀过程中TGS模型对响应时间和整体固含率的预测优于其他曳力模型;确认TGS曳力模型对动态特性的预测性能较优。所考察升力模型对床层动态特性模拟结果的影响较小,在相间作用力模型中可予以适当忽略,其原因可能是曳力模型中往往已经包括了升力等其他相间力,以及诱导升力的液相剪切流动和颗粒旋转运动在液固体系中较弱。以本论文及相关文献中实验结果为基础,基于Brandani和Zhang简化双流体模型在颗粒雷诺数(Res)约20至400范围内评价了 9个曳力模型对液固散式流态化时均颗粒流动特性的预测性能。曳力模型性能与颗粒雷诺数密切相关,BVK曳力模型在Res=210时准确地预测了固含率的径向分布;Dallavalle和BVK曳力模型分别在Res=300和Res=390时较为准确地再现了固相轴向速度的径向分布特征;TGS和Dallavalle曳力模型在Res=116、149和181时对床层膨胀高度预测精度最高。基于对整体固含率计算结果的统计分析可以确认BVK和Dallavalle曳力模型对液固散式流化特性预测性能最优;基于直接数值模拟方法得到的曳力模型整体上预测性能较好,此类曳力模型基于静止颗粒群的绕流模拟获得,因不考虑颗粒间相互作用而更适宜液固散式流态化的CFD模拟。以文献中实验结果为基础,探索了 Gidaspow无粘性A类模型、Brandani和Zhang简化模型和基于颗粒动理学理论的三种双流体模型对液固散式流化特性模拟结果的影响。整体而言,三种双流体模型均能较为准确地预测时均整体固含率和固相轴向速度径向分布。但基于颗粒动理学理论双流体模型过高地估计了固相均方根速度分布,导致颗粒运动接近各向同性,Gidaspow无粘性A类双流体模型和Brandani和Zhang简化双流体模型能够较为合理地再现固相均方根速度分布和颗粒运动各向异性特征,其内在原因在于模型对固相应力的处理符合液固散式体系内颗粒间碰撞行为较少发生的特征。


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