气液固循环流化床自组织结构的分形重构

论文摘要

自组织现象是指自然界中自发形成的宏观时空有序结构,是非线性结构的一个重要方面,也是十分普遍的自然和社会现象。流态化系统也常出现自组织流动现象,如数个颗粒聚集在一起形成颗粒团运动,几个气泡形成气泡群作螺旋式上升运动等。多相流体系内的自组织或相干结构的研究对深入地理解流动问题,增加对系统的基础理解,以及体系的量化描述都具有深远的意义。同时也将丰富大自然的分形理论,并为改善其传质、传热性能,开发高效流化床反应器提供理论依据,具有重要的理论意义和实践价值。但国内外这方面的报道还较少。本论文在对气液固循环流化床内的气泡、颗粒等的团聚行为及其运动变化规律等自组织现象深刻理解的基础上,以分形理论为桥梁,根据气泡间存在的作用力、颗粒间存在的作用力,提出分形假说,重构了三相循环流化床内流动时空结构图。模型在重构过程中,参照统一尾涡模型,将三相流化床分为液固流化区,气泡区,尾涡区,并且给出了液固流化区中心流区域半径的计算方法。模型模拟了气液固循环流化床中出现的自组织结构随操作条件演化规律,如颗粒密度、颗粒直径、主辅水流流速、表观气速、表面张力,研究了团聚与分形维数的关系,并将模拟结果与实验结果进行了对比。分形重构模拟结果能在一定程度上重现气液固循环流化床内出现的自组织流动结构,通过验证发现模型预测结果与实验结果较为吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 气液固三相流态化非均匀性
• 1.1.1 非均匀三相流态化
• 1.1.2 颗粒流动结构
• 1.1.3 气泡流动结构
• 1.1.4 气液固流态化的影响因素
• 1.2 自组织现象与分形理论
• 1.2.1 流化床内的自组织流动结构
• 1.2.2 分形理论与分形维数
• 1.3 本论文研究方案
• 第二章 气液固循环流化床中团聚现象的分形重构
• 2.1 数学模型的假设
• 2.2 液固流化区团聚现象的分形重构
• 2.2.1 中心流区域半径的确定
• 2.2.2 流化床上行床液固流化区中液速分布
• 2.2.3 液固流化区上行床颗粒速度分布
• 2.2.4 中心流区域半径及相关参数的确定
• 2.2.5 颗粒流动模型的验证
• 2.2.6 液固流化区中颗粒团聚分形模型及图像合成
• 2.3 气泡区气泡团聚现象的分形重构
• 2.3.1 气泡之间的作用力
• 2.3.2 气泡分形结构的图像合成
• 2.4 尾涡区内颗粒团聚现象的分形重构
• 2.4.1 气泡尾涡结构
• 2.4.2 尾涡区颗粒之间的作用力
• 2.4.3 尾涡区内颗粒分形结构图像的生成
• 2.5 液固流化区、气泡区、尾涡区三区图像合成
• 第三章 模拟结果及讨论
• 3.1 主水流对自组织团聚结构的影响
• 3.2 辅助水流对自组织团聚结构的影响
• 3.3 表面张力对自组织团聚结构的影响
• 3.4 上行床表观气速对自组织团聚结构的影响
• 3.5 颗粒密度对自组织团聚结构的影响
• 3.6 颗粒直径对自组织团聚结构的影响
• 3.7 团聚行为与分形维数的研究
• 3.8 模型局限性
• 第四章 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 参考文献
• 符号表
• 发表论文及科研情况说明
• 致谢