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

1、稠密氣固兩相流動是多相流動的一個主要研究方向，而顆粒團聚是氣固兩相流動中稠密流動條件下的一種重要現(xiàn)象。但是，由于氣固兩相流動影響因素的復(fù)雜性，氣固兩相流動的機理尚不十分清楚。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和計算方法的不斷改進和完善，結(jié)合計算數(shù)學(xué)和計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)，以其獨特的優(yōu)點已經(jīng)成為氣固兩相流動研究的主要方法。
　　本文建立了離散顆粒運動—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)耦合的計算方法，提出了確定顆粒當(dāng)?shù)鼐植繗怏w速度的計算模型。該計算方法考慮了在計算網(wǎng)格氣體作用的貢獻(xiàn)，同時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導(dǎo)致局部顆粒濃度分布不均對當(dāng)?shù)貧怏w速度的影響?；诜肿觿恿W(xué)和顆粒動理學(xué)，應(yīng)用顆粒平均自由程，導(dǎo)出了確定顆粒聚團中顆粒數(shù)的計算方法。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算方法，考慮局部顆粒濃度不均勻性對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)進行顆粒碰撞對的抽樣，采用此技術(shù)可以減小計算工作量并且減小計算網(wǎng)格內(nèi)顆粒濃度不均勻性對顆粒碰撞概率計算的影響。
　　應(yīng)用LES-DSMC方法模擬了循環(huán)流化床上升管內(nèi)氣固兩相流動特性，得到了時均顆粒速度和濃度的分布情況，以及單顆粒的運動規(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)對團聚物存在時間、平均顆粒濃度、生成頻率以及兩相流流動特性的影響。研究了顆粒聚團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，顆粒聚團的顆粒碰撞頻率和分散顆粒的碰撞頻率增加，模擬計算值低于顆粒動理學(xué)計算值。隨著顆粒濃度的增加，聚團內(nèi)的顆粒數(shù)增加。與分散顆粒相比，顆粒聚團具有大的

5、脈動能量。同時顆粒團聚將增加顆粒的停留時間。
　　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)下煤粉顆粒團的著火和燃燒過程，同時給出了顆粒團的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對著火和燃燒的影響。顆粒群燃燒數(shù)G小于60時，煤粉顆粒團的著火先是異相著火，而當(dāng)顆粒群燃燒數(shù)G大于60時，煤粉顆粒團的著火先是均相著火。隨著煤粉聚團的顆粒濃度的增加，煤粉聚團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明顯延遲均相著火，但是對顆粒團的燃燒速

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

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

8、算表明在顆粒團聚過程中，氣體作用在顆粒聚團上的氣動力逐漸減小，直至顆粒聚團后所具有的氣動力為最小。顆粒團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的脫硫過程，分析了聚團空隙率、進口氣體速度和溫度對石灰石顆粒聚團和孤立單石灰石顆粒脫除SO2的影響。石灰石顆粒聚團吸收的SO2的量隨聚團空隙率和進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，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的量高于聚團中任一單顆粒。研究了石灰石顆粒聚團對脫除NO的影響，石灰石顆粒的團聚可降低NO的排放。
　　建立了萘顆粒聚團傳熱傳質(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的傳熱傳質(zhì)過程，分析了聚團空隙率、進口氣體速度和溫度對顆粒聚團傳熱傳質(zhì)過程的影響。對氣流中孤立單