加溫-加壓噴動(dòng)床氣固流動(dòng)特性研究.pdf

1、稠密氣固流動(dòng)一直是當(dāng)前多相流領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，而噴動(dòng)床作為常用的氣固反應(yīng)器，在處理Geldart D類顆粒流化困難等問題方面表現(xiàn)突出，得到了越來越多的關(guān)注。噴動(dòng)床在作為化學(xué)反應(yīng)器時(shí)通常需要在加溫/加壓條件下操作，過去對(duì)加溫/加口壓噴動(dòng)床的研究主要針對(duì)其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)特性及建模等方面，而對(duì)氣固運(yùn)動(dòng)特性的研究較少，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)應(yīng)用需求。尤其當(dāng)前我國已對(duì)煤的清潔高效利用、固體廢棄物的高效資源化處理提出了重大需求，因此需要全面了解和掌握噴動(dòng)

2、床在加溫/加壓條件下的氣固流動(dòng)特性，以期對(duì)噴動(dòng)床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，同時(shí)提升對(duì)加壓中高溫稠密氣固反應(yīng)體系基礎(chǔ)科學(xué)問題的理解和認(rèn)知水平。
　　構(gòu)建了加壓噴動(dòng)床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，配有高精度、多通道差壓脈動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理系統(tǒng)，以及高分辨率數(shù)字圖像采集和處理系統(tǒng)，研究了加壓噴動(dòng)床氣固表觀噴動(dòng)特性:考察了加壓噴動(dòng)床床層壓降信號(hào)在升速法和降速法下的區(qū)別，并分析了兩種方法測得床層壓降隨床層高度、顆粒性質(zhì)和操作壓力的變化規(guī)律;揭示

3、了最大床層壓降和最小噴動(dòng)速度與床層高度、顆粒性質(zhì)以及操作壓力等參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及數(shù)理表征，提出了加壓噴動(dòng)床最大床層壓降和最小噴動(dòng)速度預(yù)測關(guān)聯(lián)式。在加壓噴動(dòng)床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究了加壓噴動(dòng)床流動(dòng)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)變規(guī)律:考察了不同操作壓力下，顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨操作氣速的變化規(guī)律，將加壓噴動(dòng)床顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)劃分為三種流型:固定床、穩(wěn)定噴動(dòng)和不穩(wěn)定噴動(dòng);基于統(tǒng)計(jì)分析（標(biāo)準(zhǔn)差分析）、頻譜分析（功率譜分析）及混沌分析(Hurst指數(shù)分析)三種壓力脈動(dòng)信號(hào)分

4、析手段，對(duì)加壓噴動(dòng)床流型進(jìn)行了表征和簡單的識(shí)別研究。
　　作為對(duì)加壓實(shí)驗(yàn)研究的補(bǔ)充和完善，構(gòu)建了加壓噴動(dòng)床計(jì)算流體力學(xué)耦合雙流體模型CFD-TFM數(shù)值模擬平臺(tái)，對(duì)加壓噴動(dòng)床顆粒尺度的氣固流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究:以顆粒體積分?jǐn)?shù)為表征，給出了加壓噴動(dòng)床瞬時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨操作壓力的變化;開發(fā)了最小噴動(dòng)速度的數(shù)值模擬求解方法，模擬得到的加壓噴動(dòng)床最小噴動(dòng)速度隨著操作壓力的增大而不斷減小，模擬值與實(shí)驗(yàn)預(yù)測值平均相對(duì)誤差僅為4.59％，另外模

5、擬研究表明最小噴動(dòng)氣體質(zhì)量流率隨著操作壓力的增加而增大;在操作氣速為1.2倍最小噴動(dòng)速度1.2ums條件下，模擬結(jié)果表明操作壓力對(duì)顆粒軸向速度、顆粒濃度沿徑向分布的影Ⅱ向與床層高度有關(guān);另外，模擬得到的噴動(dòng)區(qū)噴動(dòng)直徑隨著操作壓力的增大而增大。
　　考慮到噴動(dòng)床加溫加壓條件下的工業(yè)應(yīng)用背景，構(gòu)建了加溫加壓噴動(dòng)床CFD-TFM數(shù)值模擬平臺(tái)，氣體粘度采用Sutherland二系數(shù)模型，主要研究在加壓條件下，操作溫度對(duì)氣固流體動(dòng)力學(xué)特性的

6、影響:考察了加溫加壓噴動(dòng)床氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及噴動(dòng)射流形狀隨操作溫度的變化;溫度影響著氣體的密度和粘度，對(duì)三種粒徑不同顆粒的模擬研究表明，對(duì)于大顆粒，操作溫度升高，氣體密度影響起主導(dǎo)作用，ums隨著操作溫度的增加而增加;對(duì)于小粒徑顆粒，溫度升高，氣體粘度影響起主導(dǎo)作用，氣固曳力作用增強(qiáng)了，ums隨著溫度的增加而減小，并模擬找到了臨界粒徑;在操作氣速為1.2ums條件下對(duì)大顆粒進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明操作溫度對(duì)噴射區(qū)顆粒速度和顆粒濃度的影響同樣與