循環(huán)流化床顆粒團(tuán)聚作用的氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬.pdf

1、在氣固兩相流動(dòng)中，氣體和顆粒之間的相互作用力主要包括曳力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman力以及熱泳力等。其中，曳力是最重要的氣固相間作用力。目前，對(duì)氣固相間曳力的研究已經(jīng)成為氣固兩相流動(dòng)研究的熱點(diǎn)。然而由于氣固相間的相互作用十分復(fù)雜，對(duì)氣固相間曳力的理論分析仍然具有提高和改進(jìn)之處。
　　在雙流體模型中，氣固相間曳力的計(jì)算主要采用基于系統(tǒng)平均化方法提出的曳力模型，然而研究結(jié)果表明在循環(huán)流化床稠

2、密氣固兩相流動(dòng)中，顆粒存在非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此，有必要完善和發(fā)展基于顆粒多尺度結(jié)構(gòu)特征的氣固相間曳力模型并應(yīng)用于稠密氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬。
　　基于氣體分子動(dòng)力學(xué)的Boltzmann方程，引入單松弛的BGK碰撞算子，推導(dǎo)出計(jì)算氣體流動(dòng)的LBGK模型。同時(shí)，引入格子粒子與顆粒之間的動(dòng)量交換來(lái)考慮氣固相間的作用力。固體顆粒的運(yùn)動(dòng)由牛頓第二定律計(jì)算得到。壁面采用具有二階計(jì)算精度的半步長(zhǎng)反彈邊界條件。建立了適用于氣固兩相流動(dòng)的格子Bol

3、tzmann-離散顆粒運(yùn)動(dòng)模型。
　　應(yīng)用格子Boltzmann-離散顆粒運(yùn)動(dòng)模型數(shù)值模擬顆粒群的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得到了顆粒群在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中曳力系數(shù)的變化規(guī)律。研究了顆粒群所受到的氣動(dòng)力、顆粒群滑移速度隨顆粒群空隙率的變化，以及顆粒群曳力系數(shù)隨顆粒群空隙率和顆粒群雷諾數(shù)的變化。提出了基于顆粒群效應(yīng)的曳力系數(shù)修正因子與空隙率的變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果與Yang等模型以及 Wen和Yu模型的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相一致。同時(shí)研究結(jié)果表明入口氣體速度、顆粒直徑

4、、顆粒間距和顆粒排列方式對(duì)顆粒群曳力系數(shù)的變化影響很小，可以忽略不計(jì)。本文提出了考慮顆粒群效應(yīng)的氣固相間曳力系數(shù)的計(jì)算方法，數(shù)值研究提升管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性。模擬結(jié)果表明基于格子Boltzmann-離散顆粒運(yùn)動(dòng)模型提出的氣固相間曳力模型能很好地反映出提升管內(nèi)顆粒的非均勻流動(dòng)特性，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。
　　從顆粒非均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)尺度內(nèi)能量守恒的角度出發(fā)，建立了氣固兩相流系統(tǒng)的整體和局部參數(shù)與氣固相間曳力的相互關(guān)系，提出了

5、基于顆粒懸浮輸送能量最小的曳力模型。并將其應(yīng)用到歐拉-歐拉雙流體模型中，以解決氣固相間曳力，使動(dòng)量方程中的氣固相間作用項(xiàng)封閉。數(shù)值模擬循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性。得到了時(shí)均顆粒濃度、氣體速度和顆粒速度的分布；以及顆粒團(tuán)聚物在床內(nèi)的分布特性。同時(shí)得到的時(shí)均顆粒相密度和顆粒質(zhì)量流率沿徑向的分布與Knowlton等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。分析了瞬時(shí)顆粒濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。將計(jì)算結(jié)果與EMMS曳力模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明應(yīng)用基于顆粒懸浮輸

6、送能量最小的曳力模型使床內(nèi)的平均顆粒濃度降低，從而影響到顆粒擬溫度、顆粒粘度、顆粒壓力和顆粒熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化。
　　應(yīng)用歐拉-歐拉雙流體模型，應(yīng)用顆粒動(dòng)理學(xué)模擬顆粒相流動(dòng)，k-ε模型模擬氣體湍流流動(dòng)，氣固相間曳力采用基于顆粒懸浮輸送能量最小的曳力模型模擬，數(shù)值研究1025t/h循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固流動(dòng)特性。得到了不同爐膛截面的顆粒分布規(guī)律。分析了循環(huán)倍率對(duì)爐內(nèi)顆粒流動(dòng)特性的影響。采用氣固化學(xué)反應(yīng)模型，研究了循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)