流化床內(nèi)稠密氣固兩相流動(dòng)機(jī)理的CFD-DEM耦合研究.pdf

1、稠密氣固兩相流動(dòng)廣泛存在于能源、化工、冶金等工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)其深入研究既有助于對(duì)固相輸運(yùn)特性以及氣固兩相間相互作用機(jī)理的揭示，也能為工程實(shí)際中密相設(shè)備的設(shè)計(jì)和放大提供指導(dǎo)。本文在歐拉-拉格朗日耦合框架下，發(fā)展了可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)床體內(nèi)稠密氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算的計(jì)算流體力學(xué)耦合離散單元法(CFD-DEM)模擬平臺(tái)，其中對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的求解在計(jì)算網(wǎng)格尺度進(jìn)行，而固相運(yùn)動(dòng)的求解則在顆粒尺度層面對(duì)每個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤。同時(shí)，將稠密兩相流動(dòng)

2、中氣固之間對(duì)流換熱以及顆粒之間導(dǎo)熱傳熱耦合進(jìn)計(jì)算框架，并加入了預(yù)測(cè)管壁磨損分布的子模塊?；谠撚?jì)算平臺(tái)，對(duì)幾種工業(yè)過(guò)程中典型密相流化設(shè)備內(nèi)兩相流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析;同時(shí)，借助于離散單元法追蹤顆粒的優(yōu)勢(shì)，從顆粒尺度層面對(duì)固相的重要運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容主要包含以下三個(gè)部分:
　　第一部分為三維鼓泡流化床內(nèi)氣固輸運(yùn)特性以及埋管傳熱和磨損機(jī)理研究。首先對(duì)三維鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相運(yùn)動(dòng)及其與氣泡之間的交互進(jìn)行了研究，并從顆粒尺度揭示了系統(tǒng)

3、內(nèi)固相耗散和湍動(dòng)特性，同時(shí)考察了氣固兩相之間的傳熱特性。接著，基于單根埋管鼓泡流化床，闡釋了埋管周向不均勻換熱系數(shù)分布特性與其周向氣固流動(dòng)分布特性之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，并揭示了不同傳熱機(jī)理在其傳熱過(guò)程中的作用。最后，對(duì)比研究了管排方式對(duì)密相流化床內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)路徑、固相濃度、顆粒耗散及其混合的影響，并揭示了預(yù)測(cè)管束磨損分布的時(shí)均物理量。
　　第二部分是三維噴動(dòng)流化床內(nèi)固相輸運(yùn)機(jī)理以及帶隔板雙體矩形截面狹縫噴動(dòng)床內(nèi)流動(dòng)特性分析。首先研究了三

4、維噴動(dòng)流化床內(nèi)噴動(dòng)一環(huán)隙區(qū)間相互作用邊界的特性及參數(shù)對(duì)其的影響，同時(shí)從顆粒尺度層面統(tǒng)計(jì)了固相在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)及其在不同區(qū)域的停留和耗散特性。此外，考察了操作參數(shù)（表觀氣速、顆粒粒徑）及床體放大對(duì)這些特性的影響。接著，對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度的帶隔板三維矩形截面狹縫雙體噴動(dòng)床內(nèi)時(shí)均流動(dòng)特征進(jìn)行了分析，并揭示了噴動(dòng)區(qū)邊界特性以及噴動(dòng)區(qū)-環(huán)隙區(qū)之間作用的強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)研究了隔板高度對(duì)系統(tǒng)腔室間作用的影響。
　　第三部分研究了帶隔板內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)典型氣

5、固流動(dòng)特征及固相停留和耗散特性，同時(shí)量化研究了三維整床循環(huán)流化床內(nèi)采用雙側(cè)返料方式對(duì)提升管內(nèi)氣固流動(dòng)不均勻性改善程度。首先深入分析了內(nèi)循環(huán)床內(nèi)氣固流動(dòng)機(jī)制，標(biāo)識(shí)了床體內(nèi)氣泡優(yōu)先上升路徑及固相優(yōu)先循環(huán)路徑，同時(shí)研究了操作條件（流化風(fēng)速和顆粒直徑）和床體結(jié)構(gòu)參數(shù)（隔板傾角、熱交換腔側(cè)墻傾角、隔板底部通道高度等）對(duì)固相循環(huán)、停留和耗散特性的影響。接著，對(duì)三維雙側(cè)返料循環(huán)流化床內(nèi)全床氣固流動(dòng)的分布特性進(jìn)行了研究，考察了提升管內(nèi)復(fù)雜稠密流動(dòng)及其典