基于歐拉-歐拉模型的空氣重介質(zhì)流化床多相流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬.pdf

1、空氣重介質(zhì)流化床分選技術(shù)是一種適用于煤炭干法分選的高效分離工藝,為全球干旱缺水地區(qū)選煤技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了一條全新的路徑和模式。在空氣重介質(zhì)分選基礎(chǔ)理論的研究中發(fā)現(xiàn),分選所采用的濃相氣固流化床是一種非常復(fù)雜的氣固多相流體系,因此有必要分別從宏觀和微觀層面對(duì)流化床內(nèi)的多相流體動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。本文基于“歐拉-歐拉”多相流模型,應(yīng)用理論分析、試驗(yàn)測量與數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)流化床中的入料顆粒受力特性、氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律、加重質(zhì)顆粒動(dòng)

2、力學(xué)行為及氣固多相耦合作用機(jī)理等開展研究工作,以期為深入理解入料顆粒在流化床中的按密度分離規(guī)律、加重質(zhì)密相與入料顆粒相的協(xié)同作用機(jī)理、完善流態(tài)化分選理論與研制和改進(jìn)流化床分選設(shè)備等提供一定的理論支持。
　　提出了采用“歐拉-歐拉”多相流模型對(duì)流化床內(nèi)氣固多相的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。在總結(jié)大量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撏茖?dǎo)的基礎(chǔ)上,針對(duì)本研究采用的濃相氣固分選流化床,分別提出了氣固曳力系數(shù)、顆粒間作用系數(shù)和固相應(yīng)力項(xiàng)三種本構(gòu)方程的理論

3、計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)控制方程的封閉,為后續(xù)的數(shù)值模擬研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　采用試驗(yàn)測量、數(shù)值模擬和理論模型驗(yàn)證相結(jié)合的方法,研究了流化床內(nèi)的氣泡動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明,在表觀流化氣速1.5Umf≤U≤2.2Umf的條件下,氣泡沿床層高度方向和床體軸向的平均直徑分布分別為35mm

4、,為研究氣泡動(dòng)力學(xué)行為對(duì)入料顆粒在流化床中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及流化床分選效果的影響提供了理論依據(jù)。
　　入料顆粒在流化床中的受力特性是粒群實(shí)現(xiàn)按流化床分選密度有效分離的基礎(chǔ)。在對(duì)流化床中球形顆粒運(yùn)動(dòng)受力分析的基礎(chǔ)上,建立了入料顆粒在流化床中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力平衡方程和基本動(dòng)力學(xué)公式。自行設(shè)計(jì)了入料顆粒在流化床中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力測量系統(tǒng),對(duì)不同粒徑的球形顆粒在不同種類加重質(zhì)形成的流化床中的受力進(jìn)行測量。結(jié)果表明,入料顆粒的受力特性遵循穩(wěn)定的變化規(guī)律,

5、提出了受力均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速的變化關(guān)系均可由標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)或修正后的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)表征。深入分析了顆粒連續(xù)受力的顯著類周期性規(guī)律,獲得了入料顆粒受力頻率與振幅的波動(dòng)范圍。
　　對(duì)入料顆粒在流化床中的受力波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,建立了入料顆粒在流化床中瞬時(shí)受力的動(dòng)力學(xué)擬合方程組。在試驗(yàn)測量、數(shù)值模擬和理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上,對(duì)不同入料顆粒在流化床中的受力結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證,結(jié)果表明,采用三種方法得到的顆粒瞬時(shí)受力均值與波動(dòng)規(guī)律等基本保持一致。入料顆粒

6、在流化床中的受力研究結(jié)果為探索不同密度的分選顆粒在流化床中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為提供了必要條件。
　　應(yīng)用ICEMCFD軟件構(gòu)建與試驗(yàn)裝置一致的三維流化床模型并進(jìn)行精確網(wǎng)格劃分,基于本文建立的適用于空氣重介質(zhì)流化床的數(shù)值計(jì)算模型,分別通過試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬方法,對(duì)床層壓降與密度分布進(jìn)行定性與定量考察。結(jié)果證明流化床壓降與標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速的變化規(guī)律與加重質(zhì)種類無關(guān),只與U/Umf的數(shù)值有關(guān)。流化床密度分布規(guī)律的結(jié)果表明,1.5Umf≤U≤2.

7、2Umf是床層密度分布最均勻穩(wěn)定、波動(dòng)幅度最小的操作氣速范圍,此時(shí)流化床的時(shí)均橫向和軸向密度基本分布在1.95～2.10g/cm3的范圍內(nèi),密度標(biāo)準(zhǔn)差小于0.20g/cm3,研究結(jié)果對(duì)完善流化床的壓降和密度調(diào)控機(jī)制具有很好的促進(jìn)作用。
　　基于流化床壓降和密度分布規(guī)律的試驗(yàn)和模擬結(jié)果,對(duì)流化床內(nèi)的氣固多相流體動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行深入的數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示,流化穩(wěn)定后,氣相和加重質(zhì)顆粒密相均處于均勻穩(wěn)定分布狀態(tài),宏觀上表現(xiàn)為床層活性較好

8、,壓降穩(wěn)定,流化床三維空間內(nèi)各點(diǎn)的密度分布很均勻,波動(dòng)很小。微觀上表現(xiàn)為氣相具有很好的貫通性,顆粒相基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)流和升降運(yùn)動(dòng)軌跡與速度變化規(guī)律,為入料粒群的分離提供了均勻穩(wěn)定的分選密度環(huán)境,研究結(jié)果對(duì)流化床布風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)和加重質(zhì)的選取具有一定的參考價(jià)值和意義。
　　本文在建立空氣重介質(zhì)流化床數(shù)值計(jì)算模型與自行研制的氣泡運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)和顆粒受力測量裝置的基礎(chǔ)上,通過對(duì)流化床中氣泡動(dòng)力學(xué)行為、入料顆粒受力特性、床層壓降波動(dòng)和密度分布