流化床生物质与石英砂混合流动与传热实验与模拟研究

发布时间：2018-02-14 16:58

本文关键词： 生物质流化床 DEM-CFD 递归分析球元叠加传热　出处：《东南大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：流化床生物质热解技术具有高浓度的流态化过程因而具有高强度的热量、质量和动量传递的优点。流化床中的流动属于典型的稠密相气固两相流动,在用于生物质热解的流化床内部,气固两相存在着动量、热量和质量的交换,气相流动状态和物料的传热传质过程都极其复杂,而目前对于流态化下生物质的流动与传热过程的研究尚未成熟。本文从实验和模拟两个方面,进行了流化床柱形生物质与石英砂混合流动和传热过程的研究。通过分析流化床内气相速度、压力和温度,颗粒运动轨迹和温度分布,气固耦合曳力系数和传热系数等,揭示了不同因素对流化床双组份流动与传热的影响规律。建立了流化床内柱形生物质与石英砂混合流动与传热的实验系统,并进行了压差脉动信号采集、红外热像温度采集和床内流动状态图像采集等工作。流化床床层平均压差随着床层高度的增加而增加,生物质的质量分数的大小对床层平均压差影响不大。通过对压差脉动信号进行递归图和递归定量分析可知,气速的增加会使得处于鼓泡床状态的流动混沌特性增强。结合高速摄影仪采集的颗粒运动状态分析结果可知,大颗粒生物质的存在会扰乱气泡的运动状态,从而降低了系统的确定性、周期性和间歇性。在常温空气的冷却作用下,流化床内颗粒冷却速度随表观气速的增大而有所增加,不同表观气速下颗粒的冷却速度差异主要表现在进风后5s的时间内。不同床层高度下的颗粒平均温度随着床高的增加而增加,但差距并不是很大。当表观气速较低时,生物质颗粒温度的下降速度明显比石英砂颗粒温度的下降速度小。采用球元叠加法解决了传统DEM-CFD计算模型不适用于具有大差异尺寸颗粒系统的问题。将大尺寸柱形生物质颗粒视为按照固定方式排列的虚拟球元聚合体。通过精细网格模拟结果可知,颗粒内部较为密集的虚拟球元的分布对于气体的流动起到了很强的阻碍作用,使得颗粒内部气体速度较低,气体温度接近颗粒温度。柱形颗粒内部空隙率的大小直接影响气固曳力系数和气固传热系数大小,比较分析可知在本研究的雷诺数范围内柱形颗粒内部空隙率ε=0.27可以使得计算结果相对更加准确。采用FORTRAN计算语言和MPI并行运算技术,建立了采用正交网格的双组份流动与传热计算平台。模拟情况下不同表观气速下的床层压降变化幅度较小,床层压差平均值比实验值低220Pa左右,床层压差脉动信号存在着明显的递归特性。气相速度具有较好的对称性,气相温度分布在整个床层区域分布较为均匀。对比红外热像仪采集的流化床不同床高区域内颗粒温度变化数据和模拟数据,10s内床料平均温度变化的实验值和模拟值较为接近,误差在20%范围内。利用混合指数定量地分析了床料在流化床中的横向和纵向混合情况,床料混合指数随着过程的进行经过了先增加后稳定两个阶段,且床料纵向混合比横向混合更加迅速和均匀。经过颗粒轨迹分析得知,石英砂颗粒纵向运动范围较大,但倾向于在左右半床范围内运动：生物质颗粒主要在中高床层范围内运动,但横向运动范围横跨了整个截面。
[Abstract]:In this paper , the effects of different factors on the flow and heat transfer in the fluidized bed are studied by means of the analysis of the velocity , pressure and temperature , particle movement locus and temperature distribution , gas - solid coupling drag coefficient and heat transfer coefficient .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6;TK124

【参考文献】