气固流态化的多尺度非平衡特性研究
发布时间：2021-03-10 12:58
气固流化系统是一个典型的非线性非平衡系统,呈现出复杂的多尺度特性:如,局域空间颗粒浓度的非均匀分布和颗粒速度的非高斯分布、时空交替的介尺度结构以及床层整体随表观气速而变化的流域等。这些复杂特性与单个颗粒之间的非弹性碰撞和摩擦、气体与颗粒以及颗粒群之间的相互作用、气固两相湍流等因素紧密相关,是流化床模拟计算的核心难题,也是突破工业反应器放大、设计和优化的关键。为此,有必要从单颗粒层次的运动行为出发,对流化床的多尺度非平衡特性展开系统深入的研究。针对以上目标,本论文结合实验和计算方法对流化床中局域非平衡特性、介尺度结构特性以及表观气速对颗粒运动状态的影响等展开研究。本文主要内容和结果如下:1.应用高速摄像机拍摄床层中颗粒运动,通过颗粒跟踪测速法（PTV）和Voronoi划分方法得到单颗粒的速度和空隙率。统计鼓泡床和湍动床中颗粒速度概率密度分布、平均空隙率、颗粒平均速度、颗粒温度、颗粒湍动能等物理量,发现浓相和稀相中颗粒的瞬时颗粒速度概率密度分布接近高斯分布,各物理量尺度依赖性和各向异性较弱,呈现近局域平衡特性。而两相界面处颗粒速度概率密度分布严重偏离高斯分布,甚至会出现双峰分布,各固相宏观...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１４１１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｖａｌｉｄｉｔｙ?ｏｆ?ｓｃａｌｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｉｎ?ｆｌｕｉｄ?１４１１??
?第１章引言???介尺度结构的特征时间和特征长度（空间尺寸）变化范围很宽。气泡的直径??可以小到分布板相邻孔间的孔距，而大到与床层直径相当，在鼓泡床中的频率范??围一般在是２－１４ＨＺ之间ｍ。团聚物尺寸变化范围为几倍到几百倍颗粒直径［７６＿７９］，??甚至形成固相栓塞与床径相当［８（），８１］，其出现频率为１－１〇０Ｈｚ１７８，７９］。??因此，流化床中固相宏观物理量的尺度依赖性与介尺度结构的存在密切相关。??许多物理量，如气固曳力［７＇８２，８３］，颗粒温度［６３］，颗粒和气体传质系数［８４］等等都依??赖于时间和空间平均，在平均过程中难免会包含介尺度结构的影响。研究显示，??由于存在介尺度结构，这些参数实验测量和预测的差异可以高达几个数量级??Ｉ７＇６３＇？Ｍ。这些都表明表征和量化介尺度结构对于理解气固流化系统有着十分重??要的作用［６，７？３４，３６，８５，８６Ｊ。??＿?Ｉ??：：裏??图１．２流化床中典型的介尺度结构：⑷气泡｜８７｜；?（ｂ＞团聚物１８８１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｉｎ?ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ?ｂｅｄｓ：?（ａ）?ｂｕｂｈｋ、＃７、??（ｂ）ｃｌｕｓｔｅｒ１８８１??１．３．１气泡??气泡是鼓泡流化床鉍明显的特征结构［８２］。在流化床中，气体通过分布板并在??９??
?第１章引言???好，当表观气速超过后，会出现均匀膨胀阶段，床层高度随着气??速增加而增加，但是床层中并不会出现气泡结构；气速进一步增加达到［／ｗ６，床??层中开始出现气泡。Ｂ类和Ｄ类颗粒最小流化气速与最小鼓泡气速相等，没有??均匀膨胀阶段。Ｃ类颗粒直径最小，由于颗粒间作用力很强，难以形成正常流化。??＾?＾?￣Ｉ?门田?闕??．．．?：；＿ｗ??？？?？？?？?ｉ?绝?５?？?：?３．??」ｎ?Ｓ?＿??霸纖Ｐ丨剩Ｍ彳街??＿＿＿＿＿＿??＿?＿?＿?＿隱墜??Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?Ｂｕｂｂｌｉｎｇ?Ｓｌｕｇｇｉｎｇ?Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ?Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ??ｅｘｐａｎｓｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉ／ａｔｉｏｎ?（ｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ?ｇａｓ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ｆ／ｇ??图１．３气固流化床中的流域转变１６１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｆｌｏｗ?ｒｅｇｉｍｅｓ?ｉｎ?ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?１６１??节涌一般出现在高床径比（床层颗粒堆积高度／床层直径）的流化床中［５］，这??是因为气泡尺寸会随着床层高度增加而増加。当气泡直径与床层直径相当时，床??层中形成明显的气栓结构。这些气栓将颗粒一节一节向上推动，床层表现周期性??上升和塌落，使得床层中的压力波动巨大。??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EMMS的循环流化床流域研究[J]. 陈恺成,田于杰,李飞,吴昊,王维. 化工学报. 2020(07)
[2]Estimation of particle dynamics in 2-D fluidized beds using particle tracking velocimetry[J]. Thomas Hagemeier,Christoph Roloff,Andreas Buck,Evangelos Tsotsas. Particuology. 2015(05)
[3]Experimental investigation of cluster properties in dense gas-solid fluidized beds of different diameters[J]. Niloufar Firuzian,Rahmat Sotudeh-Gharebagh,Navid Mostoufi. Particuology. 2014(05)
[4]Measuring turbulence in a circulating fluidized bed using PIV techniques[J]. Mayank Kashyap,Benjapon Chalermsinsuwan,Dimitri Gidaspow. Particuology. 2011(06)
[5]EXPERIMENTAL RESEARCH OF FLOW STRUCTURE IN A GAS-SOLID CIRCULATING FLUIDIZED BED RISER BY PIV[J]. SHI Hui-xian Modern Agricultural Science and Engineering Institute, Tongji University, Shanghai 200092, China,. Journal of Hydrodynamics. 2007(06)
本文编号：3074699
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１４１１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｖａｌｉｄｉｔｙ?ｏｆ?ｓｃａｌｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｉｎ?ｆｌｕｉｄ?１４１１??
?第１章引言???介尺度结构的特征时间和特征长度（空间尺寸）变化范围很宽。气泡的直径??可以小到分布板相邻孔间的孔距，而大到与床层直径相当，在鼓泡床中的频率范??围一般在是２－１４ＨＺ之间ｍ。团聚物尺寸变化范围为几倍到几百倍颗粒直径［７６＿７９］，??甚至形成固相栓塞与床径相当［８（），８１］，其出现频率为１－１〇０Ｈｚ１７８，７９］。??因此，流化床中固相宏观物理量的尺度依赖性与介尺度结构的存在密切相关。??许多物理量，如气固曳力［７＇８２，８３］，颗粒温度［６３］，颗粒和气体传质系数［８４］等等都依??赖于时间和空间平均，在平均过程中难免会包含介尺度结构的影响。研究显示，??由于存在介尺度结构，这些参数实验测量和预测的差异可以高达几个数量级??Ｉ７＇６３＇？Ｍ。这些都表明表征和量化介尺度结构对于理解气固流化系统有着十分重??要的作用［６，７？３４，３６，８５，８６Ｊ。??＿?Ｉ??：：裏??图１．２流化床中典型的介尺度结构：⑷气泡｜８７｜；?（ｂ＞团聚物１８８１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｔｙｐｉｃａｌ?Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｉｎ?ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ?ｂｅｄｓ：?（ａ）?ｂｕｂｈｋ、＃７、??（ｂ）ｃｌｕｓｔｅｒ１８８１??１．３．１气泡??气泡是鼓泡流化床鉍明显的特征结构［８２］。在流化床中，气体通过分布板并在??９??
?第１章引言???好，当表观气速超过后，会出现均匀膨胀阶段，床层高度随着气??速增加而增加，但是床层中并不会出现气泡结构；气速进一步增加达到［／ｗ６，床??层中开始出现气泡。Ｂ类和Ｄ类颗粒最小流化气速与最小鼓泡气速相等，没有??均匀膨胀阶段。Ｃ类颗粒直径最小，由于颗粒间作用力很强，难以形成正常流化。??＾?＾?￣Ｉ?门田?闕??．．．?：；＿ｗ??？？?？？?？?ｉ?绝?５?？?：?３．??」ｎ?Ｓ?＿??霸纖Ｐ丨剩Ｍ彳街??＿＿＿＿＿＿??＿?＿?＿?＿隱墜??Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?Ｂｕｂｂｌｉｎｇ?Ｓｌｕｇｇｉｎｇ?Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ?Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ??ｅｘｐａｎｓｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉ／ａｔｉｏｎ?（ｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ??Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ?ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ?ｇａｓ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ｆ／ｇ??图１．３气固流化床中的流域转变１６１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｆｌｏｗ?ｒｅｇｉｍｅｓ?ｉｎ?ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ?ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ?１６１??节涌一般出现在高床径比（床层颗粒堆积高度／床层直径）的流化床中［５］，这??是因为气泡尺寸会随着床层高度增加而増加。当气泡直径与床层直径相当时，床??层中形成明显的气栓结构。这些气栓将颗粒一节一节向上推动，床层表现周期性??上升和塌落，使得床层中的压力波动巨大。??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EMMS的循环流化床流域研究[J]. 陈恺成,田于杰,李飞,吴昊,王维. 化工学报. 2020(07)
[2]Estimation of particle dynamics in 2-D fluidized beds using particle tracking velocimetry[J]. Thomas Hagemeier,Christoph Roloff,Andreas Buck,Evangelos Tsotsas. Particuology. 2015(05)
[3]Experimental investigation of cluster properties in dense gas-solid fluidized beds of different diameters[J]. Niloufar Firuzian,Rahmat Sotudeh-Gharebagh,Navid Mostoufi. Particuology. 2014(05)
[4]Measuring turbulence in a circulating fluidized bed using PIV techniques[J]. Mayank Kashyap,Benjapon Chalermsinsuwan,Dimitri Gidaspow. Particuology. 2011(06)
[5]EXPERIMENTAL RESEARCH OF FLOW STRUCTURE IN A GAS-SOLID CIRCULATING FLUIDIZED BED RISER BY PIV[J]. SHI Hui-xian Modern Agricultural Science and Engineering Institute, Tongji University, Shanghai 200092, China,. Journal of Hydrodynamics. 2007(06)
本文编号：3074699
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3074699.html
