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流化床内流动、传热及燃烧特性的离散颗粒模拟

刘安源  
【摘要】: 流态化技术已经在化工、能源以及冶金等工业领域得到了非常广泛的应用,但由于流化床内部各种规律的复杂性,人们对其工作机理的认识还远不能令人满意。有鉴于此,本文利用DEM(Discrete element method)对流化床内的气固两相流动、传热和燃烧过程进行了模拟。 在本文两相流动模型中,离散颗粒相采用DEM方法在颗粒层次上直接跟踪模拟,该方法能够方便的处理稠密两相流中颗粒间的碰撞作用,气体连续相则采用局部平均的N-S方程进行描述。气体对颗粒的曳力采用De Fice提出的经验准则式计算,在气相离散网格内离散颗粒对气体反作用力根据PSIC方法确定。 本文对密相流化床内流化过程的模拟较好地复现了气泡在流化床内的形成、分离、移动、长大及破裂的周期性变化以及相邻气泡间的合并和变形过程。模拟结果也表明,随气体射流数目的增加,床层的流化质量得到明显改善。对流化床内取样点模拟压力信号的频谱分析发现,流化速度越高,通过床层的气泡频率越大。 将DEM方法与颗粒碰撞传热模型结合,在颗粒层次上对密相流化床内的传热过程进行了较为系统的数值研究。对流化床层与壁面瞬时平均传热系数的模拟揭示了该值主要受壁面处颗粒更新速度和颗粒数目的影响。研究也表明:处于静止床层以下位置的壁面其局部瞬时传热系数随时间具有基本类似的变化规律,处于静止床层以上位置的壁面与其它位置有较大差别,其局部瞬时传热系数主要受床层膨胀和塌落的影响。 对示踪颗粒在密相流化床内传热过程的模拟研究表明:颗粒在流化床内具有较高的传热系数,其值主要受颗粒碰撞数目的影响,且不同颗粒的传热系数在床内具有非常类似的变化规律。颗粒在流化床中温度上升很快并且不同颗粒在床内的温度经历几乎完全相同。研究也表明,在颗粒与床层的总传热量中,颗粒碰撞传热量约占1/3,颗粒与周围流体的对流传热量约占2/3。 基于DEM方法,建立了流化床内燃烧过程数学模型并进行了数值求解。模拟结果成功复现了流化床燃烧器热烟气点火启动过程的各主要特征,并获得了床内气固两相温度及氧气组分浓度等参数的非常详尽的动态变化信息。模拟得到的启动过程床层温升曲线表明,启动过程可以分为热气体对床料的纯加热阶段、投煤后的煤颗粒快速燃烧及床温快速上升阶段和床温变化平稳的正常运行阶段。


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