气固流化床内二元混合颗粒流动特性的数值模拟与试验研究

作     者：吕婉宁 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周岭

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：CFD–DEM 气固流化床 颗粒直径 Geldart D类颗粒 颗粒掺混 

摘      要：气固流化床广泛应用于能源化工以及生物质利用等领域,是煤、生物质等燃烧和气化的主要反应器。针对不同直径颗粒对流化床气固两相流动特性的影响,以及混合颗粒的流态化行为进行研究对于提升气固流化床系统性能具有重要意义。本文基于计算流体力学和离散元方法(CFD–DEM)相结合的数值模拟方法,对流态化过程中不同直径颗粒、混合颗粒中掺混不同比例粗颗粒等条件下的气泡形态变化以及颗粒运动特性进行了对比分析,并对数值模拟进行了试验验证。主要研究内容以及研究成果如下:(1)针对气固两相流数值模拟方法中影响较为重要的曳力模型、恢复系数以及摩擦系数等进行了敏感性分析。通过一系列模拟分析以及试验验证,最终选定了与试验吻合较好的数值模拟参数,即采用Huilin&Gidaspow曳力模型,恢复系数数值设置为0.9,摩擦系数数值设定为0.3。(2)基于CFD–DEM数值模拟方法对直径分别为2.5 mm、3.0 mm和3.5 mm的Geldart D类颗粒在流化床中的气固两相流动过程进行了研究。通过高速摄影试验对数值模拟进行了验证,结果表明试验与模拟之间具有良好的一致性。研究了颗粒直径的变化对流化床内气固两相流的影响,对气泡形态、床层高度以及颗粒速度等进行了比较和讨论。结果表明进气流量越大,颗粒直径越小,流态化过程中越容易出现C型气泡。当C型气泡在流态化过程的前期出现时,会产生四气泡共存现象。随着颗粒直径的增加,流化床中床层高度最大值逐渐减小,达到最大床层高度的时间逐渐增加,颗粒沿Z轴方向速度绝对值逐渐减小。在流化床X轴方向上,颗粒速度的整体分布趋势为靠近流化床两侧的颗粒速度接近于零,而靠近流化床中部的颗粒速度较大。在相同进口流量的条件下,同一X轴位置处的颗粒速度随着颗粒直径的增大而减小。(3)对流化床中混合颗粒的气固两相流动过程进行数值模拟以及试验研究,探究了混合颗粒中不同掺混比例对流态化过程的影响。通过高速摄影试验对数值模拟结果进行了验证,发现仿真与试验之间的流动过程瞬时快照以及床层高度曲线的一致性较好。对混合颗粒中掺混不同比例粗颗粒的数值模拟结果进行了分析讨论,发现在颗粒总体积不变的情况下,粗颗粒掺混比例的增加会导致流态化过程中颗粒开始出现震荡分层的时刻延后。混合颗粒中细颗粒直径的不同以及粗颗粒占比的不同都会对C型气泡的形成与否以及其形成阶段产生一定影响。在细颗粒直径相同以及进口流量也相同的条件下,随着混合颗粒中粗颗粒占比增加,床层高度逐渐减小,颗粒沿Z轴方向的平移速度绝对值也逐渐减小。混合颗粒中粗颗粒占比的增加会导致在流化床X轴方向上的颗粒速度减小,且床层中均为细颗粒的曲线对应数值最大。