稠密氣固兩相流氣力輸送流型的數(shù)值模擬研究.pdf

1、大規(guī)模高效煤氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的重要領(lǐng)域，加壓超濃相煤粉氣力輸送是其關(guān)鍵技術(shù)之一。加壓超濃相氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒相濃度高、輸送氣速較低、流動形態(tài)復(fù)雜等，目前對其輸送機理和一些相關(guān)流動特性規(guī)律，特別是對其輸送流型及變化規(guī)律的研究比較少、認識還不夠成熟，對其研究具有極其重要的意義。本文采用試驗研究、數(shù)值模擬、理論分析為主要研究手段，探討水平管加壓超濃相氣力輸送出現(xiàn)的流型及其變化規(guī)律。
　　通過試驗手段研究超濃相石英砂氣力輸送過程中

2、出現(xiàn)的流型，然后改變輸送條件研究不同表觀氣速、不同石英砂質(zhì)量流量和不同石英砂粒徑下的輸送流型及其變化規(guī)律。結(jié)果表明：實驗研究過程中獲得了栓塞流、沙丘流、沉積層流以及懸浮流等一些典型密相輸送流型。在表觀氣速較低或者石英砂質(zhì)量流量較大時，栓塞流為主導(dǎo)流型，栓塞出現(xiàn)頻率較高，其他流型出現(xiàn)頻率較??；增大表觀氣速或者減小石英砂質(zhì)量，栓塞出現(xiàn)的頻率減小，沙丘流、懸浮流出現(xiàn)的頻率增大，輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好。此外，在相同輸送條件下輸送物料粒徑更大時，栓

3、塞流、沙丘流等低速復(fù)雜流動狀態(tài)更容易出現(xiàn)，輸送穩(wěn)定性也更差些。
　　針對目前超濃相氣固兩相流數(shù)值模擬所存在的一些關(guān)鍵問題，本文提出了一種描述固相內(nèi)部相互作用對顆粒運動影響的新數(shù)學(xué)模型。采用該模型對水平管超濃相石英砂氣力輸送進行二維數(shù)值模擬研究，將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比，定性上驗證模型可行性及優(yōu)越性。結(jié)果表明：模擬獲得了與實驗結(jié)果較為一致的栓塞流、沙丘流、沉積層流以及懸浮流輸送流型。表觀氣速較小時，輸送流型為栓塞流，栓塞出現(xiàn)頻率較大

4、，其他流型出現(xiàn)頻率較??；增大表觀氣速，栓塞頻率逐漸減小甚至消失，取而代之的是沙丘流、沉積層流以及懸浮流，模擬獲得流型變化趨勢與實驗結(jié)果較為一致，表明本文提出的新數(shù)學(xué)模型具有一定可行性。因此，本模型可以對“μm”級粉體顆粒的工業(yè)實際規(guī)模連續(xù)加料超濃相氣力輸送過程進行數(shù)值模擬。
　　采用該模型對水平管加壓超濃相煤粉氣力輸送進行二維數(shù)值模擬研究，預(yù)測表觀氣速、煤粉粒徑、固氣比等操作參數(shù)對加壓超濃相煤粉氣力輸送流型的影響及其變化規(guī)律，從而

5、為大規(guī)模加壓超濃相煤粉氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：隨著表觀氣速的減小、煤粉粒徑的增大或者固氣比的增大，水平管加壓超濃相煤粉氣力輸送主要流型特征將由沉積層流變化為沙丘流，再由沙丘流進而演變?yōu)樗ㄈ?。表觀氣速較小時，流型高度變化范圍較大；而當(dāng)粒徑較大或者固氣比較大時，流型高度變化范圍較大，此時對應(yīng)輸送流型以栓塞流為主。采用Std/Mean值來量化系統(tǒng)輸送波動性，Std/Mean值越大系統(tǒng)的波動性也越大，Std/Mean值

6、隨著表觀氣速、煤粉粒徑或加料固氣比的增大均是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
　　對截面流型高度信號功率譜分析表明，表觀氣速較小、煤粉粒徑較大或固氣比較大時，顆粒波動出現(xiàn)一個明顯主頻，顆粒波動幅值較大；輸送粒徑較小時顆粒輸送較容易發(fā)生多尺度脈動，而在粒徑較大時發(fā)生單一脈動；隨著表觀氣速增大、固氣比的減小，顆粒波動主頻逐漸變得不明顯甚至消失，顆粒波動幅值也變小。對各工況的栓塞流統(tǒng)計分析表明，表觀氣速較小時長栓、中等長度栓塞出現(xiàn)可能性較大，而