双组份脉动流化床混合特性的模拟研究

论文摘要

气固脉动流化床作为一种先进的流态化技术,现已被广泛应用于能源、化工等领域。脉动气流的加入可以改善普通流化床的流动及传质传热特性,实现许多带有高分散性、成团性和粘性物料的工艺过程,这些常常涉及到双组份或多组分物料颗粒的混合等问题。但流化床内更为复杂的流动状态,使得实验研究变得更加困难。数值模拟方法的优点是可以避免实验研究中的很多系统误差和人为误差,依靠可靠的曳力模型、湍流模型等进行模拟,节省实验时问和成本,对流化床的操作具有指导意义。本文在计算流体力学软件中对等密度体系(不同粒径的硅胶)和不等密度体系(等粒径的玻璃珠和小米)颗粒在矩形波脉动进气的流化床的运动行为进行描述,采用欧拉双流体模型,进行了数值模拟,模拟过程中使用自定义函数定义了脉动气流的波形、频率、波幅等参数,根据收敛性要求选取了松弛因子、时间步长以及求解方式。针对双组份流化床,提出了混合指数作为混合效果的评价标准,分析了高频,低频和共振频率下流化床的混合特性,讨论了在相同脉宽比下改变脉动周期对混合过程的影响,以及脉动流化时,床层压降的波动情况,最后比较了颗粒密度与粒径对流态化的影响。模拟结果表明共振频率下的脉动气流,相比于高频和低频时,能更好地使两种固体颗粒流化混合,得到随床高分布较均匀的平均粒径,混合过程有良好的稳定性。在相同条件下,等密度体系混合效果优于非等密度体系混合效果,说明颗粒密度是造成分离的最主要原因。脉动辅助进气对比连续进气,混合效果更优,还能节约能源,应用前景更广。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号表
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.1.1 流态化技术
• 1.1.2 气固流态化技术
• 1.1.3 气固流化床流化状态的判别
• 1.1.4 气固流化床中的压力波动
• 1.1.5 颗粒性质对流化行为的影响
• 1.2 脉动流态化技术
• 1.3 流化床模拟研究的进展
• 1.4 本文研究内容及意义
• 2 双组份脉动流化床的数学模型及参数选择
• 2.1 双组份脉动流化床模型的建立
• 2.1.1 物理模型描述
• 2.1.2 脉动共振频率及主要变量的确定
• 2.1.3 物性参数
• 2.1.4 边界条件及初始化
• 2.2 双组份脉动流化床的数学模型
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 颗粒群动力模型
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 曳力模型
• 2.3 模拟计算流程
• 2.3.1 求解器的选择
• 2.3.2 SIMPLE算法
• 2.4 模拟参数的影响及确定
• 2.4.1 松弛因子
• 2.4.2 时间步长的确定
• 3 双组份脉动流化床数值模拟结果及分析
• 3.1 模拟实验数据处理方法
• 3.2 床层压降场及波动分析
• 3.2.1 床层压降波动分析
• 3.2.2 压力场分析
• 3.3 脉动周期对混合效果的影响分析
• 3.4 颗粒密度对混合效果的影响分析
• 3.5 模拟不足及改进方案
• 4 结论
• 5 展望
• 6 参考文献
• 7 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 8 致谢
• 附录 脉动流化床数值模拟UDF源文件