气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟

发布时间：2017-05-26 15:19

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【摘要】： 近代固体流态化技术在工程中作为一种重要的流 固相间物理操作技术被广泛采用。流化床是典型的流态化多相流操作技术。由于多相流行为是一个典型的混沌过程和非线性过程,对各种床内参数,如压力脉动值、局部相含率、颗粒速度、颗粒温度、气泡尺寸等动态变化过程的剖析,可以获得更深层次的信息。近年来兴起的计算流体力学(CFD)方法,具有方便的测定实验中不易测得的数据、优化实验设备、修正及验证理论模型、降低实验费用等优点,引起了许多研究者的兴趣。 本文采用流体力学模拟软件FLIUENT 6.2,结合本实验室测量数据,首先优化气固流化床分布板开孔率,然后采用最佳开孔率分布板,测量气 固流化床内局部固体浓度、床层压降等参数,并与模拟值进行比较。根据结果比较,修正及验证数值模型,获得最佳普适性和可靠性强的数值模型。 第一,采用实验与模拟相结合的方法,研究三种不同分布板开孔率(φ=0.46,0.86,1.10%)对分布板压降、局部固体浓度、气泡尺寸、床层压降等参数的影响,确定最佳开孔率。研究结果表明,随开孔率的增大,分布板压降和分布板附近形成气泡尺寸减小,颗粒流化质量降低。开孔率对平均床层压降影响较小,但对床层压力波动影响较大。根据对各参数的综合研究,确定最佳开孔率为0.46%。 第二,为减小计算误差,通过研究几何模型、网格数量、最小时间步长、颗粒碰撞恢复系数等因素对计算结果的影响,确定最佳计算参数。根据表观气速对流化状态的影响,确定模拟气速大于0.04 m·s~(-1)。在以上参数条件下,研究Syamlal-O’Brien、Gidaspow和Wen and Yu三种曳力模型对流化状态的影响。根据三种曳力模型对固体浓度分布和气、固速度等参数的影响,本文选用Syamlal-O’Brien曳力模型,并根据实验数据对曳力模型进行了修正,减小计算偏差。 第三,研究声场流化床内流体动力学行为。在修正曳力模型基础上,根据声场对颗粒速度和固体动量方程的影响,建立气 固流化床声学模型。将声学模型编程后导入FLUENT软件,考察声压级对局部固体浓度、气泡特征、压力波动、颗粒速度、颗粒温度等参数的影响。将模拟值与实验测量数据进行比较,验证了模型的可靠性。研究结果表明,在一定误差范围内,计算值与实验数据吻合较好,可以正确反映声场流化床的流体动力学行为。但部分模拟结果与文献数据有一定的差别,说明本文建立的声学模型有待于进一步的修正和研究。
【关键词】：分布板开孔率 数值模拟 曳力模型 声场流化床 声学模型
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ021.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 前言14-16
• 1 文献综述16-39
• 1.1 流化床概述16-29
• 1.1.1 流化床的原理及优点17-18
• 1.1.2 Geldart 的颗粒分类法18-19
• 1.1.3 流化状态的判别19-21
• 1.1.4 外加场流化床发展概述21-24
• 1.1.5 流化床分布板概述24-26
• 1.1.5.1 气体分布板分类24-25
• 1.1.5.2 分布板研究概况25-26
• 1.1.6 流化床测试技术26-29
• 1.1.6.1 颗粒性质的测量方法26-27
• 1.1.6.2 流化床中各种流体力学的特性的测量及分析27-29
• 1.2 计算流体力学（CFD）在流态化领域中的应用进展29-37
• 1.2.1 计算流体力学概述29-30
• 1.2.2 气固两相流欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法30-32
• 1.2.3 颗粒动力学理论模型32-35
• 1.2.3.1 控制方程32-33
• 1.2.3.2 封闭方程33-35
• 1.2.4 颗粒动力学理论模型的研究进展35-37
• 1.3 本课题研究的意义、目的和内容37-39
• 1.3.1 本课题的意义和目的37
• 1.3.2 本课题的研究内容37-39
• 2 分布板开孔率对气固流化床流动特性的影响39-66
• 2.1 引言39
• 2.2 实验装置39-44
• 2.2.1 分布板开孔率的设计39-41
• 2.2.2 流化床实验装置41-42
• 2.2.3 激光粒度分析仪42-43
• 2.2.4 光导纤维测试系统43-44
• 2.3 实验方法44
• 2.4 空床分布板数值计算44-51
• 2.4.1 几何模型的建立和网格划分44-47
• 2.4.1.1 几何模型的建立45
• 2.4.1.2 网格划分45-47
• 2.4.2 三维湍流模型的选择47-49
• 2.4.3 数值方法49
• 2.4.4 边界条件49
• 2.4.5 结果与讨论49-51
• 2.4.5.1 开孔率对分布板压降的影响49-50
• 2.4.5.2 开孔率对气体速度矢量分布的影响50-51
• 2.5 分布板开孔率对气 固流化特性的影响51-63
• 2.5.1 几何模型的简化和网格划分51-52
• 2.5.1.1 几何模型51
• 2.5.1.2 网格划分51-52
• 2.5.2 数值方法的选择52-55
• 2.5.2.1 控制方程的离散52-53
• 2.5.2.2 离散格式53
• 2.5.2.3 流场计算方法53-55
• 2.5.3 边界条件的设置55-56
• 2.5.4 结果与讨论56-63
• 2.5.4.1 分布板开孔率对气固分布的影响56-58
• 2.5.4.2 分布板开孔率对气泡尺寸和气 固速度的影响58-61
• 2.5.4.3 分布板开孔率对床层膨胀高度和压降的影响61-63
• 2.6 结论63-64
• 2.7 本章小结64-66
• 3 曳力模型对气固流化床流动特性的影响66-82
• 3.1 引言66
• 3.2 数值计算中的影响因素66-74
• 3.2.1 几何模型的影响66-68
• 3.2.1.1 几何模型简化思想66-67
• 3.2.1.2 二维模型和三维模型对径向固含率的影响67-68
• 3.2.2 网格质量的影响68-70
• 3.2.3 时间步长的影响70-71
• 3.2.4 颗粒碰撞恢复系数的影响71-72
• 3.2.5 表观气速的影响72-73
• 3.2.6 结论73-74
• 3.3 曳力模型对流化特性的影响74-80
• 3.3.1 曳力模型对颗粒速度矢量的影响74-76
• 3.3.2 曳力模型对固体浓度的影响76-77
• 3.3.3 Syamlal-O’Brien 曳力模型的修正77-80
• 3.3.3.1 模型修正原理77-78
• 3.3.3.2 结果与讨论78-80
• 3.3.4 结论80
• 3.4 本章小结80-82
• 4 声场对 A 类颗粒流化特性的影响82-99
• 4.1 引言82
• 4.2 实验装置82-84
• 4.2.1 声场流化床实验装置82-83
• 4.2.2 声波发生系统83-84
• 4.2.3 声波测试系统84
• 4.3 实验条件84-85
• 4.4 声场原理分析85-90
• 4.4.1 曳力模型85-86
• 4.4.2 动量方程86-89
• 4.4.3 能量方程89-90
• 4.5 几何模型和边界条件90-91
• 4.5.1 几何模型90
• 4.5.2 边界条件90-91
• 4.6 数值方法91
• 4.7 结果与讨论91-97
• 4.7.1 声压级对固体浓度的影响91-93
• 4.7.2 声压级对床层压降RMS 的影响93-95
• 4.7.3 声压级对颗粒温度的影响95-96
• 4.7.4 声压级对颗粒速度的影响96-97
• 4.8 结论97-98
• 4.9 本章小结98-99
• 结论99-101
• 展望101-102
• 参考文献102-107
• 致谢107-108
• 攻读学位期间发表的学术论文目录108-109

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 朱博;王强;郭慧军;张潇玲;杜明俊;;基于双欧拉模型的流化床气固两相流场数值模拟[J];大庆石油学院学报;2011年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 李继涛;激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计[D];中国石油大学;2011年

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3 谢德娟;1025t/h循环流化床锅炉炉膛流场模拟及磨损分析[D];华北电力大学;2012年

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本文编号：397254