稠密氣固兩相流雙流體大渦數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為研究氣固兩相流動(dòng)的重要方法之一。不斷完善數(shù)值模擬方法，對(duì)深入研究氣固兩相流動(dòng)的復(fù)雜機(jī)理以及影響因素有重要的意義。
　　大渦模擬（ LES）同時(shí)包含了直接數(shù)值模擬（ DNS）和雷諾平均法（RANS）的思想，與DNS相比，LES可以用于模擬較高的Reynold數(shù)和較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的流動(dòng)，與RANS相比可獲得更多的脈動(dòng)信息，在湍流的數(shù)值模擬研究中有著重要的發(fā)展前景。目前，大渦數(shù)值模擬

2、方法在單相流中已有較成熟的應(yīng)用，在氣固兩相流中的應(yīng)用尚需進(jìn)一步的研究。
　　本文采用體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均方法，對(duì)氣固兩相流的輸運(yùn)方程進(jìn)行過濾?？紤]氣相不可解尺度湍流和可解尺度湍流之間的動(dòng)量輸運(yùn)，建立了考慮顆粒相濃度影響的氣相亞格子粘度模型；基于顆粒動(dòng)理學(xué)理論，根據(jù) Smagorinsky渦粘模型，考慮過顆粒相不可解尺度湍流和可解尺度湍流之間的動(dòng)量輸運(yùn)，推導(dǎo)了顆粒相亞格子粘度模型；采用渦擴(kuò)散模式，提出了顆粒相亞格子熱傳導(dǎo)系數(shù)方程，封閉了

3、可解尺度擬顆粒溫度方程；考慮了高顆粒濃度下介觀尺度的影響，修正了顆粒相亞格子壓力方程。建立了稠密氣固兩相流雙流體大渦數(shù)值模擬（LESg-θ-LESp）模型。
　　應(yīng)用稠密氣固兩相流雙流體大渦數(shù)值模擬模型，研究了鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性。模擬觀察到了鼓泡流化床中氣泡的長(zhǎng)大、合并和破碎的運(yùn)動(dòng)過程。模擬結(jié)果得到了床內(nèi)顆粒相時(shí)均可解尺度速度和脈動(dòng)速度等分布，與Yuu等實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合；得到了床內(nèi)顆粒相時(shí)均濃度分布，與Taghipour等

4、實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。研究發(fā)現(xiàn)不考慮顆粒相的亞格子尺度時(shí)，在床層中形成了較大的氣泡，隨著 Cs的增加，氣泡數(shù)量逐漸增加，平均氣泡直徑逐漸減小，時(shí)均可解尺度擬顆粒溫度減小，顆粒濃度在床層中心處逐漸增加而在邊壁處降低，時(shí)均滑移速度在床層中心處減小而在邊壁處增加；隨著顆粒濃度的增加，顆粒相亞格子尺度粘度和熱傳導(dǎo)系數(shù)減小，而顆粒相亞格子尺度壓力增大。
　　應(yīng)用稠密氣固兩相流的雙流體大渦模擬模型，研究了提升管內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)特性。通過模擬結(jié)果可觀

5、察到提升管內(nèi)的環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)，得到提升管內(nèi)的時(shí)均顆粒相濃度、速度等分布，模擬結(jié)果與Knowlton等實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。隨著顆粒濃度的增加，可解尺度和亞格子尺度下的時(shí)均顆粒相的粘度和熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸增加，可解尺度下的時(shí)均顆粒相壓力先增加，后減小，亞格子尺度下的時(shí)均顆粒相壓力增加；隨著 Cs的增加，在床層中心區(qū)域，時(shí)均顆粒相濃度增加，氣相和顆粒相可解尺度速度、顆粒脈動(dòng)速度以及顆粒相可解尺度擬顆粒溫度降低，在邊壁區(qū)域變化趨勢(shì)相反；有效時(shí)均顆粒相

6、粘度和顆粒相熱傳導(dǎo)系數(shù)隨 Cs的增加而增加，有效時(shí)均顆粒相壓力和顆粒湍動(dòng)能隨 Cs的增加而減??；對(duì)曳力系數(shù)進(jìn)行修正后時(shí)均顆粒相濃度、可解尺度擬顆粒溫度、床層壓降升高，氣相和顆粒相可解尺度速度有所降低，但幅度很小，有效時(shí)均顆粒相粘度、顆粒相熱傳導(dǎo)系數(shù)和有效時(shí)均顆粒相壓力增加。
　　采用稠密氣固兩相流雙流體大渦模擬模型，研究了化學(xué)鏈燃燒（CLC）反應(yīng)器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)特性，研究發(fā)現(xiàn)，空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器中的顆粒濃度呈現(xiàn)中間稀、邊壁濃

7、，下濃上稀的分布趨勢(shì)，形成局部環(huán)-核流動(dòng)的非均勻結(jié)構(gòu)，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別與單個(gè)提升管和鼓泡流化床類似。采用異相化學(xué)反應(yīng)模型，研究了無載氧體循環(huán)的燃料反應(yīng)器中CH4和NiO之間的催化燃燒反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，燃料反應(yīng)器中的NiO不斷被還原為 Ni，Ni、CO2和H2O的含量逐漸增多，但是由于反應(yīng)器溫度的降低和NiO含量的減少，使得化學(xué)反應(yīng)速率逐漸減慢，導(dǎo)致Ni以及CO2和H2O增加的速度減慢，料層中CH4的含量逐漸增多。此外，由于此