基于均匀多孔介质模型的氧化床阻力特性数值研究

发布时间：2017-03-19 20:06

  本文关键词：基于均匀多孔介质模型的氧化床阻力特性数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 煤矿乏风由于浓度低、气量大和富集难等特点,一般直接排放到大气中,这样不仅造成资源浪费而且引起温室效应、破坏臭氧层造成环境污染。乏风热氧化装置可以有效氧化乏风并回收其中的热量,而由蓄热陶瓷体填充的氧化床是其氧化装置的主要能耗之一,本文基于CFD方法对蓄热氧化床进行流动和传热过程的模拟研究,为蜂窝陶瓷蓄热体结构参数的选取、优化和合理填充寻求理论指导依据。论文的主要内容如下： 1.为了选用合适的蓄热陶瓷体填充乏风氧化床,首先对方形、圆管形和六边形蓄热陶瓷体的几何结构特性进行理论分析,得出特征尺寸对蓄热陶瓷体孔隙率和比表面积的影响规律。然后利用FLUENT软件对方形、圆管形和六边形蓄热陶瓷体进行模拟,得出在相同孔密度和孔隙率下,选用方形孔可以获得较好的蓄热能力,选用圆管形和六边形孔可以降低其压强损失；在同孔隙率、比表面积和当量直径条件下,方形陶瓷体的阻力损失较低,六边形陶瓷体的传热效率较高,但是方形陶瓷的气固界面的传热流量比六边形的大。 2.基于自行开发的煤矿乏风热逆流氧化试验装置,采用多孔介质均质模型,建立了煤矿乏风蓄热逆流氧化的控制方程组和化学反应方程,模拟研究了氧化床运行参数、蜂窝陶瓷的结构参数和物性参数对氧化床的流动阻力和出口温度的影响规律。计算结果表明：在气流方向切换瞬间,氧化床的压强损失瞬时增大,经过1～2s后趋于稳定；随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增加,压强损失和出口温度都增加；乏风甲烷浓度对压强损失影响较小；提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效降低阻力损失,但是蓄热能力明显下降；提高比热容,有利于氧化装置稳定运行；随着当量直径的增加,压强损失显著降低。 3.对现有的六边形蓄热陶瓷体和方形陶瓷体组成的氧化床进行模拟研究,结果表明方形蜂窝陶瓷氧化床的压强损失大于六边形陶瓷氧化床的,但出口温度较低。基于对氧化床轴向方向上的温度、速度和压强曲线的分析决定采用组合氧化床,上下端部为当量直径较小、吸放热热能力较强的方孔蜂窝陶瓷,中部采用当量直径大、流通阻力小的六边蜂窝陶瓷。最后对组合氧化床的七种方式进行模拟,并分析压强损失和出口温度曲线,结果表明：六边形陶瓷长度在1.05m左右可以有效降低蓄热氧化床的阻力损失,而且出口温度也在允许的范围内。
【关键词】：煤矿乏风 蜂窝陶瓷体 蓄热氧化床 阻力损失 多孔介质 CFD软件
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TD71
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 主要符号9-11
• 第一章 引言11-20
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.2 矿井乏风热氧化装置及其氧化床12-19
• 1.2.1 煤矿乏风氧化技术12-13
• 1.2.2 矿井乏风热氧化装置13-15
• 1.2.3 蓄热氧化床15-16
• 1.2.4 蓄热氧化床的阻力研究16-19
• 1.3 蓄热氧化床存在的问题19
• 1.4 课题研究内容19-20
• 第二章 蜂窝陶瓷体结构分析及模拟20-36
• 2.1 计算流体力学软件简介20-25
• 2.1.1 计算流体力学介绍20-21
• 2.1.2 CFD软件及主要功能21
• 2.1.3 FLUENT软件包介绍21-22
• 2.1.4 FLUEN软件包及工程应用背景22-23
• 2.1.5 FLUENT解决流动传热耦合问题的步骤23-25
• 2.2 蜂窝陶瓷体几何结构分析25-28
• 2.3 蜂窝陶瓷体流动和传热性能模拟28-35
• 2.3.1 相同孔密度和孔隙率28-32
• 2.3.2 相同孔隙率和比表面积32-34
• 2.3.3 蓄热氧化床蜂窝陶瓷体的选取34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 氧化床模型的建立与求解方法36-46
• 3.1 多孔介质的概念及其参数36-37
• 3.1.1 多孔介质的概念36-37
• 3.1.2 多孔介质模型的合理性37
• 3.2 氧化床流动和传热模型37-41
• 3.2.1 雷诺数的计算38-39
• 3.2.2 蓄热氧化床的物理模型及基本假设39-40
• 3.2.3 质量守恒方程40
• 3.2.4 动量守恒方程40
• 3.2.5 能量守恒方程40-41
• 3.2.6 组分守恒方程41
• 3.2.7 化学反应方程41
• 3.3 气体及蜂窝体物性参数41-43
• 3.3.1 乏风的物性参数41-42
• 3.3.2 蜂窝陶瓷体的物性参数42-43
• 3.4 单值性条件43-45
• 3.4.1 边界条件43-44
• 3.4.2 换向条件44
• 3.4.3 初始条件44
• 3.4.4 计算终止条件44-45
• 3.5 反应的稳定性和收敛性45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 结果与讨论46-64
• 4.1 冷态状态下的阻力特性46-50
• 4.1.1 氧化床动态压强分布46
• 4.1.2 蜂窝陶瓷各参数对阻力特性的影响46-49
• 4.1.3 氧化床阻力计算分析49-50
• 4.2 化学反应状态下的阻力特性50-56
• 4.2.1 启动过程50-51
• 4.2.2 模拟结果与实验的比较51-52
• 4.2.3 流体表观流速对氧化床阻力损失的影响52-53
• 4.2.4 甲烷浓度对氧化床阻力损失的影响53-54
• 4.2.5 孔隙率对氧化床阻力损失的影响54-55
• 4.2.6 比热容对氧化床阻力损失的影响55-56
• 4.2.7 当量直径对氧化床阻力损失的影响56
• 4.3 蓄热氧化床的优化56-62
• 4.3.1 两种不同形状氧化床的比较57-59
• 4.3.2 氧化床轴向阻力特性59-61
• 4.3.3 组合氧化床阻力特性分析61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 全文结论与工作展望64-66
• 5.1 全文总结64-65
• 5.2 今后工作展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70
• 在学期间公开发表的学术论文70

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王鹏飞;冯涛;郝小礼;;煤矿乏风瓦斯热逆流氧化的一维数值模拟[J];采矿与安全工程学报;2012年03期

2 王鹏飞;冯涛;李石林;马平原;;煤矿乏风瓦斯热逆流氧化床的阻力特性研究[J];天然气工业;2012年06期

3 冯涛;王鹏飞;郝小礼;陈丽娟;马平原;;煤矿乏风低浓度甲烷热逆流氧化试验研究[J];中国安全科学学报;2012年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王鹏飞;煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化理论及实验研究[D];中南大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 唐帅;氧化装置进出口乏风分配系统数值模拟与优化设计[D];山东理工大学;2011年

2 陈香春;氧化床气流通道热态阻力特性数值研究[D];山东理工大学;2011年

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本文编号：256500