流化床稠密气固两相瞬态流动的离散元模拟与高速摄影实验研究
发布时间：2021-02-09 13:14
流化床技术在煤燃烧、催化反应、物料干燥等能源化工、食品加工行业中有着极其广泛的应用。掌握流化床内部气固两相流动机理是开展流化床优化设计、提高燃烧效率的基础。本人在江苏大学流体机械工程技术研究中心和美国圣路易斯华盛顿大学的联合培养下,在美国煤清洁利用联盟（Consortium for Clean Coal Utilization）项目和“动力工程及工程热物理”江苏高校优势学科项目的资助下,基于理论分析、实验测量和数值模拟等研究方法,对流化床气固两相瞬态流动开展了一系列的研究工作。本文的主要研究内容和取得的创造性成果有:（1）设计了流化床高速摄影实验台,实现流化床启动过程气固两相瞬态流动的可视化实验测量,采用床层高度、气泡当量直径对不同颗粒数、不同进口流速下的流动特性进行了量化和分析。研究发现在进口流量不变时,床层高度的变化会影响气泡的形状,但对气泡面积和气泡当量直径影响较小。进口流量是决定流动形态的主要因素,进口流量越大,气体传递给床层内颗粒的能量越大,床层高度和气泡面积越大且维持的时间越长,破碎时间越晚。在流化床的设计过程中,必须重视进口流量的合理选择。（2）通过网格无关性分析确定了适...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型化学循环燃烧（CLC）系统的示意图[7]
第一章绪论3基本上与颗粒自身的重力相等，此时颗粒逐渐呈现悬浮状态，流化床开始流化，颗粒之间不再是紧密排列，颗粒与颗粒之间的距离略微增大，床层高度出现波动，但是整体变化较校（3）鼓泡床：当进入流化床的气体流速进一步提高时，颗粒开始产生较大幅度的位移，由于颗粒各自受力程度不同，因此位移程度并不完全一致，这时床层中会逐渐出现空白区域，即形成气泡；气泡周围被颗粒包裹，并逐渐上升至床层顶部，然后气泡出现破裂。（4）节涌床：其原理基本上与鼓泡床一致，主要出现在高度较高、宽度较窄的细长状流化床中，气泡几乎占据了流化床整个横向截面，气泡呈现“节段”状不断向流化床顶部移动。（5）湍动床：如果进一步提高进入流化床的气体流速，气泡的产生频率会逐渐增加，流化床内不再出现单独的大气泡，而是多个连续的小气泡，气泡与气泡之间频繁碰撞、合并，并在床层内发生破碎；这时床层顶部不断波动，内部压力波动频率增加但振幅较小，因此被称为湍动床。（6）快速床：如果继续提高进入流化床的气体流速，气体将直接穿透床层，形成带状通道，颗粒跟随气流被带至流化床中部，颗粒运动速度非常快，并在流化床中呈现较为均匀的分布。（7）输送床：如果继续提高进入流化床的气体流速，床层中的颗粒将几乎全部被吹起，颗粒完全跟随气流向上移动至流化床出口，达到类似于气体输送的状态。a.固定床b.散式床c.鼓泡床d.节涌床e.湍动床f.快速床g.输送床图1-2流化床的分类[18]Figure1-2Classificationoffluidizedbed
江苏大学博士学位论文：流化床稠密气固两相瞬态流动的离散元模拟与高速摄影实验研究4上述流化床流态适用于不同的颗粒物性、不同的应用场合，例如固定床和散式床可以用于谷物烘干，湍动床和快速床可以用于煤燃烧、生物质燃烧。其中鼓泡流化床内部的流动较为复杂，应用范围也较广，一直是国内外相关学者的研究重点[19-20]。1.3两相流理论与数值模拟方法研究进展如图1-3所示[21]，两相流中颗粒受力极为复杂，准确建立颗粒的运动方程是研究固体颗粒在液体中的受力及运动规律的基础[2]。在气固两相流动中，通过动量和能量传递实现相间的固相与气相的彼此相互作用，因此建立气液两相流控制方程的前提是要正确描述相间耦合关系和作用力[22]。Stokes[23]研究了粘性流体中单颗粒的运动过程，通过忽略传递Navier-Stokes方程中的对流加速项，推导出两相表达式来描述流体对固体的作用力；Basset等在此基础上[24]，对球形颗粒在粘性流体中的加速直线运动进行了实验分析，发现流体对颗粒的作用力与颗粒的加速度和瞬时速度有关，并推导出了新的表达式来描述流体对颗粒的作用。Bognold等[25]提出了颗粒动力学模型，即引入湍流中颗粒运动的概率分布函数，求解封闭形式的输运方程，从而获得颗粒相的各个守恒方程和本构关系。Savage等[24,26]率先提出了均匀剪切流中光滑弹性颗粒的应力模型，Jenkins等[26]推导出了非均匀流场中球形颗粒的固相本构模型，并采用二阶矩方程表示颗粒脉动速度的分布函数。Richman[27]基于各向异性Maxwell速度分布函数推导出了二阶矩方程的本构模型，并在均匀剪切流尝稀疏颗粒浓度的条件下得到了验证。图1-3两相流中固相颗粒的受力及运动特性[21]Figure1-3Forceandmotioncharacteristicsofsolidparticlesintwo-phaseflow
【参考文献】：
期刊论文
[1]流化床锅炉气固流动特性数值模拟研究[J]. 付少闯,周俊杰,张东伟. 低温与超导. 2019(09)
[2]鼓泡流化床气固两相流动特性数值模拟[J]. 李九如,李铭坤,陈巨辉. 哈尔滨理工大学学报. 2019(04)
[3]交互循环双流化床的气/固运动三维数值模拟[J]. 顾晋饶,钟文琪,邵应娟,Aibing Yu. 工程热物理学报. 2019(07)
[4]加压二维鼓泡床气固流动特性的数值模拟[J]. 高智雪,郝振华,宋素芳,聂伟,房倚天. 煤炭转化. 2018(02)
[5]流化床内稠密气固两相流的数值模拟[J]. 罗碧辉,郑艳真,张建辉. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用[J]. 杨春振,陈成敏,刘光霞,段钰锋. 化工学报. 2016(07)
[7]基于OpenMP的流化床颗粒堆积过程三维并行数值模拟[J]. 李斌,姚路,焦明月,周遵凯. 热力发电. 2016(01)
[8]流化床内颗粒旋转特性的数值模拟[J]. 李斌,宋小龙. 动力工程学报. 2014(03)
[9]应用双流体模型对某U型阀内气固流动特性的数值模拟[J]. 陈逸,孔圆,缪正清,肖峰. 锅炉技术. 2012(06)
[10]鼓泡流化床气固两相流动特性的数值模拟[J]. 周明哲. 节能技术. 2012(04)
硕士论文
[1]带管二维喷动床气固两相流数值模拟[D]. 马梦祥.华北电力大学 2018
[2]气固两相流在微型流化床中数值模拟及结构优化设计[D]. 杨帅.山东大学 2015
[3]基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究[D]. 李东耀.重庆大学 2009
本文编号：3025686
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型化学循环燃烧（CLC）系统的示意图[7]
第一章绪论3基本上与颗粒自身的重力相等，此时颗粒逐渐呈现悬浮状态，流化床开始流化，颗粒之间不再是紧密排列，颗粒与颗粒之间的距离略微增大，床层高度出现波动，但是整体变化较校（3）鼓泡床：当进入流化床的气体流速进一步提高时，颗粒开始产生较大幅度的位移，由于颗粒各自受力程度不同，因此位移程度并不完全一致，这时床层中会逐渐出现空白区域，即形成气泡；气泡周围被颗粒包裹，并逐渐上升至床层顶部，然后气泡出现破裂。（4）节涌床：其原理基本上与鼓泡床一致，主要出现在高度较高、宽度较窄的细长状流化床中，气泡几乎占据了流化床整个横向截面，气泡呈现“节段”状不断向流化床顶部移动。（5）湍动床：如果进一步提高进入流化床的气体流速，气泡的产生频率会逐渐增加，流化床内不再出现单独的大气泡，而是多个连续的小气泡，气泡与气泡之间频繁碰撞、合并，并在床层内发生破碎；这时床层顶部不断波动，内部压力波动频率增加但振幅较小，因此被称为湍动床。（6）快速床：如果继续提高进入流化床的气体流速，气体将直接穿透床层，形成带状通道，颗粒跟随气流被带至流化床中部，颗粒运动速度非常快，并在流化床中呈现较为均匀的分布。（7）输送床：如果继续提高进入流化床的气体流速，床层中的颗粒将几乎全部被吹起，颗粒完全跟随气流向上移动至流化床出口，达到类似于气体输送的状态。a.固定床b.散式床c.鼓泡床d.节涌床e.湍动床f.快速床g.输送床图1-2流化床的分类[18]Figure1-2Classificationoffluidizedbed
江苏大学博士学位论文：流化床稠密气固两相瞬态流动的离散元模拟与高速摄影实验研究4上述流化床流态适用于不同的颗粒物性、不同的应用场合，例如固定床和散式床可以用于谷物烘干，湍动床和快速床可以用于煤燃烧、生物质燃烧。其中鼓泡流化床内部的流动较为复杂，应用范围也较广，一直是国内外相关学者的研究重点[19-20]。1.3两相流理论与数值模拟方法研究进展如图1-3所示[21]，两相流中颗粒受力极为复杂，准确建立颗粒的运动方程是研究固体颗粒在液体中的受力及运动规律的基础[2]。在气固两相流动中，通过动量和能量传递实现相间的固相与气相的彼此相互作用，因此建立气液两相流控制方程的前提是要正确描述相间耦合关系和作用力[22]。Stokes[23]研究了粘性流体中单颗粒的运动过程，通过忽略传递Navier-Stokes方程中的对流加速项，推导出两相表达式来描述流体对固体的作用力；Basset等在此基础上[24]，对球形颗粒在粘性流体中的加速直线运动进行了实验分析，发现流体对颗粒的作用力与颗粒的加速度和瞬时速度有关，并推导出了新的表达式来描述流体对颗粒的作用。Bognold等[25]提出了颗粒动力学模型，即引入湍流中颗粒运动的概率分布函数，求解封闭形式的输运方程，从而获得颗粒相的各个守恒方程和本构关系。Savage等[24,26]率先提出了均匀剪切流中光滑弹性颗粒的应力模型，Jenkins等[26]推导出了非均匀流场中球形颗粒的固相本构模型，并采用二阶矩方程表示颗粒脉动速度的分布函数。Richman[27]基于各向异性Maxwell速度分布函数推导出了二阶矩方程的本构模型，并在均匀剪切流尝稀疏颗粒浓度的条件下得到了验证。图1-3两相流中固相颗粒的受力及运动特性[21]Figure1-3Forceandmotioncharacteristicsofsolidparticlesintwo-phaseflow
【参考文献】：
期刊论文
[1]流化床锅炉气固流动特性数值模拟研究[J]. 付少闯,周俊杰,张东伟. 低温与超导. 2019(09)
[2]鼓泡流化床气固两相流动特性数值模拟[J]. 李九如,李铭坤,陈巨辉. 哈尔滨理工大学学报. 2019(04)
[3]交互循环双流化床的气/固运动三维数值模拟[J]. 顾晋饶,钟文琪,邵应娟,Aibing Yu. 工程热物理学报. 2019(07)
[4]加压二维鼓泡床气固流动特性的数值模拟[J]. 高智雪,郝振华,宋素芳,聂伟,房倚天. 煤炭转化. 2018(02)
[5]流化床内稠密气固两相流的数值模拟[J]. 罗碧辉,郑艳真,张建辉. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用[J]. 杨春振,陈成敏,刘光霞,段钰锋. 化工学报. 2016(07)
[7]基于OpenMP的流化床颗粒堆积过程三维并行数值模拟[J]. 李斌,姚路,焦明月,周遵凯. 热力发电. 2016(01)
[8]流化床内颗粒旋转特性的数值模拟[J]. 李斌,宋小龙. 动力工程学报. 2014(03)
[9]应用双流体模型对某U型阀内气固流动特性的数值模拟[J]. 陈逸,孔圆,缪正清,肖峰. 锅炉技术. 2012(06)
[10]鼓泡流化床气固两相流动特性的数值模拟[J]. 周明哲. 节能技术. 2012(04)
硕士论文
[1]带管二维喷动床气固两相流数值模拟[D]. 马梦祥.华北电力大学 2018
[2]气固两相流在微型流化床中数值模拟及结构优化设计[D]. 杨帅.山东大学 2015
[3]基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究[D]. 李东耀.重庆大学 2009
本文编号：3025686
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