流化床内稠密气固两相反应流的欧拉-拉格朗日数值模拟研究

论文摘要

稠密气固两相反应系统广泛存在于能源、化工和冶金等工业领域之中,其内涉及多尺度、多场和多物理过程的强烈耦合。随着计算机硬件和算法的快速发展,计算流体力学作为理论分析和实验测量的重要补充方法得到越来越广泛的应用,其充分而全面地再现了稠密气固两相反应系统内的流动和传热传质特性。本文基于欧拉-拉格朗日理论框架,发展了适用于稠密气固两相反应流的大规模并行CFD-DEM和MP-PIC计算平台,并耦合了适用于多分散性颗粒系统的传热模型（颗粒-颗粒导热、颗粒-流体-颗粒导热、颗粒-流体对流传热和颗粒辐射传热）、热解模型、焦炭转化模型、均相/异相反应模型、缩核模型和污染物生成模型等子模型。采用该方法对工业实际中常见的几种流态化设备内的气固流动、传热传质、化学反应以及污染物生成等进行了研究。研究内容主要包含以下三个部分。第一部分采用CFD-DEM方法开展了循环流化床的全三维数值模拟,研究了流化风速和环状构件对循环流化床内宏观气固特性以及颗粒输运特性（颗粒混合和耗散、颗粒停留时间、颗粒循环流率、颗粒受力和速度、颗粒拟温度等）的影响。改变流化风速可以使循环流化床处于两种流态:快速流态化和稀相输运状态。环状构件采用了四种布置方式,除了固相浓度和压强分布外,重点考察了构件数量和间距对系统性能的影响。第二部分开展了循环流化床结构优化和放大设计的研究。对于双侧返料循环流化床而言,首先基于瞬时压降和流量变化确定系统达到动态稳定的时间。随后,研究了宏观气固流动特性以及压强信号特征,并探究了不同操作工况对颗粒停留时间的影响。此外,分析了快速流态化和稀相输运状态下提升管内的固相返混特性。最后,研究了双侧返料结构对提升管内气固流动非均匀性的改善。对于六个旋风分离器并联布置的循环流化床而言,首先研究了旋风分离器不同的布置方式对气固流动的影响,获得了压强的整床分布,分析了分离器内物料分配的不均匀性。其次,研究了提升管内的颗粒聚团行为。最后,获得了丰富的颗粒尺度信息,如返混强度、耗散强度、颗粒受力、颗粒旋转等。第三部分开展了循环流化床内传热传质、化学反应和污染物生成的研究。首先将CFDDEM方法和传热模型耦合,在单颗粒的基础上对颗粒-颗粒导热、颗粒-流体-颗粒导热以及颗粒-流体对流传热模型进行了检验。在准二维鼓泡床上对传热模型进行了验证,并研究了三种传热机制的占比。随后将模型应用于全三维的循环流化床内气固传热的模拟,研究了颗粒温度的演变规律以及旋风分离器壁面的磨损。其次,在传热模型的基础上将CFDDEM方法进一步和化学反应模型相耦合,全面考虑了颗粒-颗粒/壁面碰撞、湍流、传热传质、辐射、颗粒缩核、热解、均相和异相反应等,并对流化床反应器内的生物质气化过程进行了数值模拟。最后,通过实验室尺度的串行流化床燃料反应器部分的全三维数值模拟对MP-PIC方法进行了验证,并研究了床温、水蒸气/生物质比和燃料种类对气化性能的影响。随之,在此基础上耦合了污染物生成模型,对浙江大学能源工程学院热能所的0.5 MW中试尺度的循环流化床煤和垃圾衍生燃料（Refuse derived fuel,RDF）混烧过程进行了全三维数值模拟,全面揭示了床内整场气固流动、燃烧和污染物生成特性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 术语表
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 气固两相流动的分类
•   1.3 稠密气固两相流的概念及研究方法
•   1.4 稠密气固两相流的多尺度模拟策略
•   1.5 国内外研究进展
•     1.5.1 稠密气固两相反应系统的CFD-DEM数值模拟
•     1.5.2 稠密气固两相反应系统的MP-PIC数值模拟
•     1.5.3 稠密气固两相反应系统的全循环欧拉-拉格朗日数值模拟
•   1.6 本文的研究内容
•   参考文献
• 第2章 数学模型和数值方法
•   2.1 CFD-DEM方法
•     2.1.1 流体运动控制方程
•     2.1.2 颗粒运动控制方程
•     2.1.3 曳力模型
•     2.1.4 传热模型
•     2.1.5 化学反应模型
•     2.1.6 耦合及并行算法
•   2.2 MP-PIC方法
•     2.2.1 流体运动控制方程
•     2.2.2 颗粒运动控制方程
•     2.2.3 气固相间耦合
•     2.2.4 化学反应模型
•   2.3 数值方法验证
•     2.3.1 小尺度鼓泡流化床
•     2.3.2 大尺度鼓泡流化床
•     2.3.3 循环流化床提升管
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第3章 流化风速对循环流化床内颗粒运动的影响
•   3.1 引言
•     3.1.1 颗粒混合和耗散
•     3.1.2 颗粒停留时间
•     3.1.3 颗粒速度和受力
•   3.2 模拟工况
•   3.3 流化风速对颗粒混合的影响
•   3.4 流化风速对颗粒停留时间的影响
•   3.5 流化风速对颗粒受力及速度的影响
•   3.6 流化风速对颗粒耗散的影响
•   3.7 流化风速对颗粒拟温度的影响
•   3.8 本章小结
•   参考文献
• 第4章 环状构件对循环流化床系统性能的影响
•   4.1 引言
•   4.2 模拟工况
•   4.3 宏观气固流动
•   4.4 固相通量
•   4.5 压降特性
•   4.6 固相循环流率
•   4.7 颗粒停留时间
•   4.8 固相耗散
•   4.9 本章小结
•   参考文献
• 第5章 双侧返料循环流化床内气固流动特性研究
•   5.1 引言
•   5.2 模拟工况
•   5.3 瞬态启动
•   5.4 宏观气固流动
•   5.5 压强信号
•   5.6 颗粒停留时间
•   5.7 固相返混
•   5.8 气固非均匀性的改善
•   5.9 本章小结
•   参考文献
• 第6章 六分离器循环流化床内气固流动特性研究
•   6.1 引言
•   6.2 模拟工况
•   6.3 宏观气固流动特性
•   6.4 气固不均匀分配
•   6.5 提升管内颗粒聚团行为
•   6.6 气固通量特性
•   6.7 固相返混强度
•   6.8 颗粒尺度信息
•   6.9 本章小结
•   参考文献
• 第7章 流化床内气固传热特性研究
•   7.1 引言
•   7.2 传热模型的检验和验证
•     7.2.1 单颗粒传热
•     7.2.2 鼓泡床传热
•   7.3 不同工况对鼓泡床传热特性的影响
•     7.3.1 宏观气固流动
•     7.3.2 流体速度的影响
•     7.3.3 粒径的影响
•   7.4 循环流化床传热特性
•     7.4.1 参数设置和网格无关性检验
•     7.4.2 宏观气固流动
•     7.4.3 颗粒温度分布
•     7.4.4 颗粒温度演变
•     7.4.5 旋风分离器的磨损
•   7.5 本章小结
•   参考文献
• 第8章 流化床内生物质气化的CFD-DEM模拟研究
•   8.1 引言
•   8.2 反应模型
•     8.2.1 蒸发
•     8.2.2 热解
•     8.2.3 气化
•     8.2.4 燃烧
•   8.3 模型验证
•   8.4 参数敏感性分析
•   8.5 模拟工况
•   8.6 粒径的影响
•   8.7 床温的影响
•   8.8 水蒸气/生物质比的影响
•   8.9 流化风量的影响
•   8.10 释料位置的影响
•   8.11 本章小结
•   参考文献
• 第9章 流化床内生物质气化燃烧的MP-PIC模拟研究
•   9.1 引言
•   9.2 实验室尺度串行流化床生物质气化特性
•     9.2.1 参数设置
•     9.2.2 参数敏感性分析
•     9.2.3 宏观气固流动特性
•     9.2.4 气化反应特性及检验验证
•   9.3 中试尺度循环流化床固废燃烧特性
•     9.3.1 参数设置
•     9.3.2 参数敏感性分析
•     9.3.3 宏观气固流动特性
•     9.3.4 燃烧反应特性
•   9.4 本章小结
•   参考文献
• 第10章 全文总结与展望
•   10.1 全文总结
•   10.2 创新点归纳
•   10.3 工作展望
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王帅

导师: 罗坤,樊建人,岑可法

关键词: 稠密气固两相反应系统,欧拉拉格朗日框架,传热传质,循环流化床

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金重大研究项目:气固湍流燃烧的多尺度耦合特性与机理(Nos. 51390491,51390493),国家重点研发计划项目:超临界H2O,CO2,H2 中氢的燃烧与混合工质化学反应流及其数值建模仿真(No. 2016YFB0600102),S-CO2 燃煤发电系统污染物生成机理与超低排放技术(NO. 2017YFB0601805)

分类号: O359

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001896

总页数: 308

文件大小: 19128K

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