稠密氣固兩相流顆粒聚團(tuán)流動(dòng)與反應(yīng)特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、稠密氣固兩相流動(dòng)是多相流動(dòng)的一個(gè)主要研究方向，而顆粒團(tuán)聚是氣固兩相流動(dòng)中稠密流動(dòng)條件下的一種重要現(xiàn)象。但是，由于氣固兩相流動(dòng)影響因素的復(fù)雜性，氣固兩相流動(dòng)的機(jī)理尚不十分清楚。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算方法的不斷改進(jìn)和完善，結(jié)合計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為氣固兩相流動(dòng)研究的主要方法。
　　本文建立了離散顆粒運(yùn)動(dòng)—碰撞解耦模型，模型中應(yīng)用直接模擬蒙特卡羅方法（DSMC）模擬顆粒間的碰撞過程?；跉庀?/p>

2、輸送能量守恒，建立了以輸送能分配確定氣相歐拉坐標(biāo)與顆粒相拉格朗日坐標(biāo)耦合的計(jì)算方法，提出了確定顆粒當(dāng)?shù)鼐植繗怏w速度的計(jì)算模型。該計(jì)算方法考慮了在計(jì)算網(wǎng)格氣體作用的貢獻(xiàn)，同時(shí)也考慮了顆粒的空間分布和局部顆粒濃度的影響。從而合理地反映顆粒聚團(tuán)導(dǎo)致局部顆粒濃度分布不均對(duì)當(dāng)?shù)貧怏w速度的影響?；诜肿觿?dòng)力學(xué)和顆粒動(dòng)理學(xué)，應(yīng)用顆粒平均自由程，導(dǎo)出了確定顆粒聚團(tuán)中顆粒數(shù)的計(jì)算方法。應(yīng)用考慮顆粒碰撞過程中彈性變形和塑性變形的顆粒非彈性碰撞恢復(fù)系數(shù)，模擬

3、顆粒的碰撞過程。采用了引入徑向分布函數(shù)的顆粒間碰撞概率的計(jì)算方法，考慮局部顆粒濃度不均勻性對(duì)顆粒碰撞概率的影響。采用大渦模擬（LES）研究氣相湍流。應(yīng)用了子網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行顆粒碰撞對(duì)的抽樣，采用此技術(shù)可以減小計(jì)算工作量并且減小計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)顆粒濃度不均勻性對(duì)顆粒碰撞概率計(jì)算的影響。
　　應(yīng)用LES-DSMC方法模擬了循環(huán)流化床上升管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性，得到了時(shí)均顆粒速度和濃度的分布情況，以及單顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究了氣體表觀速度和顆粒碰撞彈

4、性恢復(fù)系數(shù)對(duì)團(tuán)聚物存在時(shí)間、平均顆粒濃度、生成頻率以及兩相流流動(dòng)特性的影響。研究了顆粒聚團(tuán)和分散顆粒的顆粒溫度和顆粒碰撞頻率隨顆粒濃度的變化規(guī)律。研究表明分散顆粒的顆粒溫度隨顆粒濃度增加，達(dá)到最大值后，隨顆粒濃度增大而下降。而顆粒聚團(tuán)的顆粒溫度隨著顆粒濃度增加而下降。隨著顆粒濃度的增加，顆粒聚團(tuán)的顆粒碰撞頻率和分散顆粒的碰撞頻率增加，模擬計(jì)算值低于顆粒動(dòng)理學(xué)計(jì)算值。隨著顆粒濃度的增加，聚團(tuán)內(nèi)的顆粒數(shù)增加。與分散顆粒相比，顆粒聚團(tuán)具有大的

5、脈動(dòng)能量。同時(shí)顆粒團(tuán)聚將增加顆粒的停留時(shí)間。
　　建立了一維非穩(wěn)態(tài)球形顆粒群燃燒模型，模擬了靜態(tài)下煤粉顆粒團(tuán)的著火和燃燒過程，同時(shí)給出了顆粒團(tuán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)著火和燃燒的影響。顆粒群燃燒數(shù)G小于60時(shí)，煤粉顆粒團(tuán)的著火先是異相著火，而當(dāng)顆粒群燃燒數(shù)G大于60時(shí)，煤粉顆粒團(tuán)的著火先是均相著火。隨著煤粉聚團(tuán)的顆粒濃度的增加，煤粉聚團(tuán)的著火延遲先減小后增加。煤粉顆粒尺寸的增加和外部溫度的降低會(huì)明顯延遲均相著火，但是對(duì)顆粒團(tuán)的燃燒速

6、率影響不大。環(huán)境氧氣濃度的增加會(huì)減小著火延遲，加快顆粒團(tuán)的燃燒速率。
　　建立碳顆粒聚團(tuán)燃燒反應(yīng)模型，數(shù)值模擬氣體流過碳顆粒聚團(tuán)的燃燒過程，分析聚團(tuán)空隙率、進(jìn)口氣體速度、進(jìn)口氣體溫度和活化能等對(duì)碳顆粒聚團(tuán)燃燒過程的影響，分析了顆粒聚團(tuán)內(nèi)不同位置的顆粒所消耗的碳量的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明碳顆粒聚團(tuán)內(nèi)沿來(lái)流方向溫度以及CO和CO2含量逐漸升高，O2含量逐漸降低。碳顆粒聚團(tuán)燃燒消耗的碳量隨著聚團(tuán)空隙率、進(jìn)口氣體速度和進(jìn)口氣體溫度的增加而

7、增加，隨活化能的增加而減少。研究碳顆粒聚團(tuán)軸向方向NO和N2O的變化規(guī)律，碳顆粒的團(tuán)聚可有效降低燃燒過程中NO和N2O的排放。研究顆粒聚團(tuán)和孤立單顆粒所受到的氣動(dòng)力的變化，獲得了顆粒聚團(tuán)的阻力系數(shù)與孤立單顆粒的阻力系數(shù)的比值的變化規(guī)律。孤立單顆粒所受到的氣動(dòng)力高于聚團(tuán)中任何單顆粒。顆粒聚團(tuán)的阻力系數(shù)與孤立單顆粒的阻力系數(shù)的比值隨聚團(tuán)空隙率的增加而趨近于1。采用動(dòng)態(tài)分層動(dòng)網(wǎng)格更新方法，對(duì)顆粒團(tuán)聚過程中氣體對(duì)顆粒聚團(tuán)作用力進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)

8、算表明在顆粒團(tuán)聚過程中，氣體作用在顆粒聚團(tuán)上的氣動(dòng)力逐漸減小，直至顆粒聚團(tuán)后所具有的氣動(dòng)力為最小。顆粒團(tuán)聚將明顯降低氣體與顆粒之間的作用。
　　建立了石灰石顆粒聚團(tuán)脫硫化學(xué)反應(yīng)過程數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了氣體流過石灰石顆粒聚團(tuán)的脫硫過程，分析了聚團(tuán)空隙率、進(jìn)口氣體速度和溫度對(duì)石灰石顆粒聚團(tuán)和孤立單石灰石顆粒脫除SO2的影響。石灰石顆粒聚團(tuán)吸收的SO2的量隨聚團(tuán)空隙率和進(jìn)口氣體速度的增加而增加，石灰石顆粒的比表面積與煅燒溫度有關(guān)，在溫度

9、低于1253K時(shí)，比表面積隨溫度的增加而減少，但脫硫反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，綜合考慮以上兩個(gè)因素，脫硫反應(yīng)速率隨溫度的增加先增加后減少，孤立單顆粒吸收SO2的量高于聚團(tuán)中任一單顆粒。研究了石灰石顆粒聚團(tuán)對(duì)脫除NO的影響，石灰石顆粒的團(tuán)聚可降低NO的排放。
　　建立了萘顆粒聚團(tuán)傳熱傳質(zhì)過程數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了氣體流過萘顆粒和萘顆粒聚團(tuán)的傳熱傳質(zhì)過程，分析了聚團(tuán)空隙率、進(jìn)口氣體速度和溫度對(duì)顆粒聚團(tuán)傳熱傳質(zhì)過程的影響。對(duì)氣流中孤立單