循环流化床底部区域流动特性的数值模拟

论文摘要

循环流态化技术已被应用到许多领域,如煤的气化、催化裂化反应等。关于流化床内气固两相的流动特性,目前的研究大多集中在上部稀相区,对于底部浓相区的流动特性现在的研究还十分有限。本文利用Fluent大型数值模拟软件,基于Eulerian两相流模型对循环流化床底部区域的气固两相流动进行数值模拟。研究了直径0.4 m、高8.5 m的循环流化床冷态实验装置,并针对其底部区域进行了实验研究。实验中采用平均粒径170μm、颗粒密度2600 kg/m3的石英砂作为循环物料,流化气体采用常压空气。实验采用光导纤维探头测量仪测量流化床底部区域各截面的局部颗粒浓度,对于压力信号则采用先进的差压变送器进行采集。数值模拟和实验均在较低气速（1.0～2.5 m/s）和较低循环量下（5.2～34.5 kg/（m2·s））进行。模拟时对于粘性力采用层流模型,模拟计算了循环流化床底部三个截面（H=0.27 m、H=0.33 m、H=0.42 m）的颗粒浓度、颗粒速度的径向分布,并同循环流化床装置的实验数据进行了对比,结果表明,数值模拟计算与实验结果相吻合。在本试验的操作条件下,底部颗粒浓度的径向分布类似于上部稀相区的环-核结构,且无因次半径r/R=0.8处,模拟和实验都表明此点为边壁区和中心区的分界点。此外,本文还对不同尺寸的循环流化床反应器进行了数值模拟研究。在数值计算时发现,直径小的流化床其计算时间相对较长且不容易收敛,其原因在于壁面效应。小直径流化床高径比较大,壁面效应明显,一般会出现节涌现象;随着床体直径的增大,壁面效应随之减弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 流态化技术发展概述
• 1.2 循环流化床工艺特点及其应用
• 1.3 流化床研究现状
• 1.3.1 流化床数学模型
• 1.3.2 循环流化床底部区域流动结构
• 1.3.3 循环流化床底部区域颗粒运动规律
• 1.3.4 循环流化床底部区域的流型转变
• 1.4 数值模拟研究进展
• 1.4.1 数学模型概述
• 1.4.2 双流体模型
• 1.4.3 离散单元法
• 1.5 选题的原因及意义
• 1.6 研究目的和本论文的内容
• 1.6.1 实验部分
• 1.6.2 数值模拟部分
• 第二章 实验装置与参数的测定
• 2.1 实验装置流程介绍
• 2.2 管线压降的计算
• 2.2.1 罗茨风机至缓冲罐管线压力损失
• 2.2.2 缓冲罐至主床管线压力损失
• 2.2.3 缓冲罐至伴床1 管线压力损失
• 2.2.4 罗茨风机至主床的总阻力损失
• 2.2.5 罗茨风机至伴床1 的总阻力损失
• 2.3 各实验参数的确定
• 2.3.1 石英砂真实密度及空隙率的测量
• 2.3.2 颗粒粒度测试
• 2.3.3 起始流化速度的测定
• 2.3.4 表观气速和颗粒循环量的测定
• 2.3.5 局部颗粒速度和浓度的测量
• 2.3.6 压力信号的测量
• 2.4 小结
• 第三章 数值模拟计算方法
• 3.1 基本方程
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 方程封闭
• 3.1.4 气固曳力函数
• 3.2 模型的简化
• 3.3 数值模拟求解步骤
• 3.3.1 网格的生成
• 3.3.2 Fluent数值模拟求解过程
• 3.3.3 计算结果后处理
• 3.4 小结
• 第四章 实验与模拟结果的分析对比
• 4.1 流化气速对气固两相流动过程的影响
• 4.2 模型对模拟结果的影响
• 4.2.1 层流模型与湍流模型的对比
• 4.2.2 曳力模型对计算结果的影响
• 4.3 底部颗粒速度的径向分布
• 4.3.1 颗粒速度的瞬时分布
• 4.3.2 颗粒速度的时均分布
• 4.4 底部颗粒浓度的径向分布
• 4.4.1 颗粒浓度的瞬时分布
• 4.4.2 颗粒浓度的时均分布
• 4.5 底部浓相区和上部稀相区的对比
• 4.6 小结
• 第五章 不同尺寸循环流化床的数值模拟
• 5.1 循环流化床的选取
• 5.2 数值模拟
• 5.2.1 不同操作条件下的数值模拟
• 5.2.2 同一操作条件下的数值模拟
• 5.3 小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢