循环流化床流动及磨损特性的DEM数值模拟

论文摘要

节能和环保是我国的两个重大问题,循环流化床燃烧技术因其较高的环保性能,受到了广泛的关注。但由于炉内气固两相流动的复杂性,物料的多次循环造成了炉内各部位不同程度的磨损。因此,研究和预防炉内磨损已经成为一个迫切需要解决的问题。由于循环流化床内流动十分复杂以及实验器材的制约,传统实验方法在循环流化床研究中存在很多的局限性。随着计算机技术的迅猛发展,越来越多的研究采用数值模拟的方法。本文采用欧拉-拉格朗日坐标系下的DEM软球模型在二维空间对循环流化床内气固两相流动进行了数值模拟,其中颗粒相采用DEM（离散单元法）,气相采用SIMPLER算法,气固两相之间采用基于牛顿第三定律的耦合模型。并用FORTRAN语言编制了相应的计算程序。采用编制的程序首先对单孔射流流化床的流动特性进行了数值模拟,假设不考虑传热、燃烧及颗粒转动,得到了不同时刻气固两相的流动情况,其中包括床高随入口空气流速的变化情况,颗粒的混合情况、空隙率的分布、气体相和固体相在空间中的速度分布、气固两相的流动特性等等。结果表明,随着入口空气流速的提高,流化床床层也会相应的升高。流化床中部的颗粒向上运动并向两边壁面方向扩散,在两边壁面处的颗粒向下运动,底层的颗粒受到喷动气流的卷吸作用而向中间汇聚。颗粒在空间的分布表现为上部为浓度较低的稀相区和下部为浓度较大的密相区。颗粒间相互碰撞、掺混,体现出循环流化床内气固两相流复杂而剧烈的运动。随后,根据数值模拟的结果,分析了循环流化床内颗粒浓度的分布规律以及颗粒碰撞壁面的位置、次数和速度,计算了壁面不同高度的磨损量。分析了冷态时循环流化床内的磨损特性,并提出了减少磨损的建议。结果表明,在循环流化床空间中,底部密相区的碰撞频率要高于稀相区,而稀相区中两边壁面的碰撞频率要高于中间区域。在密相区的颗粒对壁面的碰撞次数最多,磨损量也最大。本文的研究对今后运用数值模拟的方法进一步研究循环流化床内的传热及燃烧过程奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 循环流化床技术简介
• 1.3 气固两相流的流动特点及研究方法
• 1.3.1 流化态现象及分类
• 1.3.2 气固两相流的研究方法
• 1.4 稠密气固两相流的数值模拟
• 1.4.1 欧拉-欧拉模型
• 1.4.2 欧拉-拉格朗日模型
• 1.5 DEM 数值模拟的创立和发展概况
• 1.6 DEM-CFD 方法在循环流化床数值模拟中的应用
• 1.7 本文的主要工作
• 第2章 气固两相流动的DEM-CFD 数值模拟方法
• 2.1 固相的DEM 方法原理和碰撞力学模型
• 2.1.1 颗粒运动的控制方程
• 2.1.2 颗粒碰撞的受力分析
• 2.1.3 颗粒碰撞的搜索算法
• 2.1.4 整体坐标和局部坐标的转换
• 2.2 气相的计算流体动力学（CFD）方法原理
• 2.2.1 气相控制方程
• 2.2.2 气相控制方程的求解
• 2.2.3 亚松弛迭代
• 2.2.4 确定流体的出口法向流速
• 2.2.5 出口流速的提升方法
• 2.3 气固两相之间耦合过程
• 2.3.1 气固两相间的受力分析
• 2.3.2 孔隙率的计算
• 2.3.3 时间步长的选定
• 2.3.4 气固两相之间耦合过程的数据传递
• 2.4 本章小结
• 第3章 颗粒自由落体堆积过程的模拟
• 3.1 自由堆积过程的计算流程
• 3.2 重力沉降过程的计算参数
• 3.3 本章小结
• 第4章 循环流化床流动特性的数值模拟
• 4.1 程序的计算过程
• 4.2 模拟结果及分析
• 4.2.1 临界流化速度
• 4.2.2 循环流化床气固两相流整体的模拟结果
• 4.2.3 颗粒及气体的速度分布
• 4.2.4 流化床内颗粒运动规律的研究分析
• 4.2.5 空隙率的分布
• 4.2.6 颗粒碰撞的细节演示
• 4.2.7 弹性系数不同时对模拟结果的影响
• 4.2.8 不同曳力模型的模拟结果比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 循环流化床磨损特性的数值模拟
• 5.1 循环流化床中的磨损特性
• 5.2 影响循环流化床受热面磨损的因素
• 5.2.1 循环流化床内物料总体的循环形式
• 5.2.2 运行参数的影响
• 5.2.3 床料特性的影响
• 5.3 冲蚀磨损的数值模拟
• 5.3.1 流化床内不同空间区域颗粒的浓度分布
• 5.3.2 流化床内不同空间区域颗粒的碰撞频率
• 5.3.3 流化床壁面不同区域颗粒的撞击频率
• 5.3.4 流化床壁面不同区域冲蚀磨损的磨损量
• 5.4 预防磨损的措施
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 详细摘要