基于格子氣自動機方法的流化床內(nèi)氣固兩相流模擬研究.pdf

1、高爐煉鐵技術(shù)在空前發(fā)展的同時也帶來了高能耗、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，探索低碳冶金技術(shù)是未來鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。非高爐煉鐵新工藝是近幾十年來興起的煉鐵技術(shù)，具有降低能耗、減少CO2排放等諸多優(yōu)點，已逐漸引起了人們廣泛的關(guān)注。在眾多非高爐煉鐵工藝中，流化床反應(yīng)器由于可以直接利用粉礦，很可能會成為鐵礦粉直接還原煉鐵技術(shù)的重要發(fā)展方向。
　　 對流化床內(nèi)氣固兩相流的研究是反應(yīng)器設(shè)計和放大的基礎(chǔ)。由于流化床內(nèi)氣固兩相流的流動特性表現(xiàn)出了典

2、型的復(fù)雜性和非線性，人們對床內(nèi)流動性能的認(rèn)識至今仍面臨很大的困難，由于實驗研究存在著投資高、耗時長等限制，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為了氣固兩相流研究的主流方法之一，對氣固兩相流的流體動力性能的模擬研究對反應(yīng)器的設(shè)計和放大有重要指導(dǎo)作用。氣固兩相流復(fù)雜系統(tǒng)具有典型的多尺度特征，運用傳統(tǒng)的單一尺度的模擬方法已無法認(rèn)識氣固兩相流系統(tǒng)內(nèi)在的復(fù)雜性，現(xiàn)有的幾種多尺度模型往往存在著計算量巨大的缺點。尋找一種既能夠刻畫氣固兩相流的

3、多尺度特征，又能適應(yīng)大規(guī)模工程計算的數(shù)值模擬方法，就顯得迫在眉睫。因此，對流化床內(nèi)氣固兩相流的模擬研究具有重要的實用意義和理論價值。
　　 格子氣自動機方法是一種時間離散、空間離散和速度離散的方法，已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜流體流動的模擬，該方法用簡單的局部演化規(guī)則在介觀層次刻畫流體粒子之間的相互作用，再通過宏觀統(tǒng)計的方法得到流體的宏觀流動行為。本文在已有研究工作基礎(chǔ)上完善實現(xiàn)了鼓泡床氣固兩相流的變尺度格子氣模型。該模型通過附加規(guī)則來

4、表征鼓泡床中氣泡的形成和長大，用氣體粒子間的引力規(guī)則和氣固粒子間的斥力規(guī)則實現(xiàn)了氣泡的表面張力，當(dāng)氣體粒子運動到固體顆粒表面時發(fā)生完全彈性碰撞，碰撞時實現(xiàn)動量的傳遞和累積，以此表征氣固相間的曳力作用。
　　 為了描述不同流化床反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流的流動行為，針對噴動床內(nèi)不同流動區(qū)域的流動形態(tài)存在明顯差異，通過對存在大速差的不同運動空間采用不同尺度的網(wǎng)格劃分的方法，來體現(xiàn)不同流動區(qū)域的氣固運動形式及其流動特征，建立了噴動床內(nèi)氣固兩相

5、流的變尺度格子氣模型；在前期建立的鼓泡流化床、噴動床變尺度格子氣模型基礎(chǔ)上，又對描述氣固兩相流復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵因素--氣固相間的曳力進(jìn)行了探索研究，借鑒以往學(xué)者通過實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)曳力模型的方法，以及通過格子玻爾茲曼模型模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)出曳力模型的方法，用變尺度格子氣模型對幾十組氣固兩相流系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，用模擬得到的曳力數(shù)據(jù)導(dǎo)出了基于變尺度格子氣方法的曳力模型；由多尺度分析入手，從流場劃分、固相應(yīng)力和黏度、氣固曳力等幾方面，對目前較為流行的雙流體模

6、型和本文建立的變尺度格子氣模型進(jìn)行了比較研究；在完成了以上研究工作的基礎(chǔ)上，考慮到變尺度格子氣模型仍屬于粒子方法的范疇，計算規(guī)模仍然受到粒子數(shù)多少的限制，又基于區(qū)域劃分的思想，提出了變尺度格子氣模型的并行算法，提高了模型的計算速度，增大了模型的計算規(guī)模。
　　 本文通過與實驗結(jié)果對比的方法對模型進(jìn)行檢驗。通過對文獻(xiàn)中的實驗條件和自制實驗裝置的模擬，研究了鼓泡流化床內(nèi)氣泡的形成、上升、長大、聚并和破裂行為，研究床內(nèi)顆粒的運動特征，

7、并定量計算了氣泡的當(dāng)量直徑和上升速度，還計算了床層壓降隨時間的變化關(guān)系等，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實驗結(jié)果和自制實驗裝置的實驗結(jié)果相一致；同樣，通過對文獻(xiàn)中的實驗條件的模擬，研究了噴動床內(nèi)噴射區(qū)、環(huán)隙區(qū)和噴泉區(qū)的顆粒流動特征，并定量計算了顆粒沿軸向方向的速度分布和在噴射區(qū)內(nèi)沿徑向方向的速度分布，通過對自制實驗裝置的模擬，研究了噴動床的啟動過程，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相一致；通過文獻(xiàn)中的實驗條件，用基于變尺度格子氣方法的曳力模型，和目前常用的基于經(jīng)

8、驗半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)的曳力模型與基于格子玻爾茲曼方法的曳力模型，對同一鼓泡流化床內(nèi)的氣固兩相流進(jìn)行了定性研究和定量研究，模擬結(jié)果顯示，基于變尺度格子氣方法的曳力模型得到了與其他兩類曳力模型一致的變化規(guī)律，且與實驗結(jié)果的平均相對誤差更小；通過采用文獻(xiàn)中的實驗條件，對同一模擬對象，運用變尺度格子氣模型和雙流體模型進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果顯示，兩種模型得到的規(guī)律都與實驗結(jié)果相一致，且本文建立的變尺度格子氣模型的平均相對誤差更小；通過運用結(jié)合了并行算法和沒

9、有結(jié)合并行算法的變尺度格子氣模型，對同一模擬對象進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果顯示，數(shù)值計算的速度提高了3.78倍，可見，通過使用并行算法，有望實現(xiàn)變尺度格子氣模型的大規(guī)模工程應(yīng)用。
　　 因此，研究工作取得了一定的進(jìn)展，完成了鼓泡床和噴動床的變尺度格子氣自動機模型的實現(xiàn)工作。論文研究工作對進(jìn)一步拓展格子氣自動機的應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)格子氣自動機方法應(yīng)用于復(fù)雜氣固兩相流動系統(tǒng)模擬提供了有益的借鑒。本文的研究成果可望對流化床反應(yīng)器的設(shè)計和放大提供