循環(huán)流化床顆粒團聚作用的氣固兩相流動數(shù)值模擬.pdf

1、在氣固兩相流動中，氣體和顆粒之間的相互作用力主要包括曳力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman力以及熱泳力等。其中，曳力是最重要的氣固相間作用力。目前，對氣固相間曳力的研究已經(jīng)成為氣固兩相流動研究的熱點。然而由于氣固相間的相互作用十分復雜，對氣固相間曳力的理論分析仍然具有提高和改進之處。
　　在雙流體模型中，氣固相間曳力的計算主要采用基于系統(tǒng)平均化方法提出的曳力模型，然而研究結果表明在循環(huán)流化床稠

2、密氣固兩相流動中，顆粒存在非均勻流動結構。因此，有必要完善和發(fā)展基于顆粒多尺度結構特征的氣固相間曳力模型并應用于稠密氣固兩相流動的數(shù)值模擬。
　　基于氣體分子動力學的Boltzmann方程，引入單松弛的BGK碰撞算子，推導出計算氣體流動的LBGK模型。同時，引入格子粒子與顆粒之間的動量交換來考慮氣固相間的作用力。固體顆粒的運動由牛頓第二定律計算得到。壁面采用具有二階計算精度的半步長反彈邊界條件。建立了適用于氣固兩相流動的格子Bol

3、tzmann-離散顆粒運動模型。
　　應用格子Boltzmann-離散顆粒運動模型數(shù)值模擬顆粒群的運動過程，得到了顆粒群在運動過程中曳力系數(shù)的變化規(guī)律。研究了顆粒群所受到的氣動力、顆粒群滑移速度隨顆粒群空隙率的變化，以及顆粒群曳力系數(shù)隨顆粒群空隙率和顆粒群雷諾數(shù)的變化。提出了基于顆粒群效應的曳力系數(shù)修正因子與空隙率的變化關系。計算結果與Yang等模型以及 Wen和Yu模型的計算結果趨勢相一致。同時研究結果表明入口氣體速度、顆粒直徑

4、、顆粒間距和顆粒排列方式對顆粒群曳力系數(shù)的變化影響很小，可以忽略不計。本文提出了考慮顆粒群效應的氣固相間曳力系數(shù)的計算方法，數(shù)值研究提升管內(nèi)氣固兩相流動特性。模擬結果表明基于格子Boltzmann-離散顆粒運動模型提出的氣固相間曳力模型能很好地反映出提升管內(nèi)顆粒的非均勻流動特性，其計算結果與實驗結果相吻合。
　　從顆粒非均勻流動結構中各個尺度內(nèi)能量守恒的角度出發(fā)，建立了氣固兩相流系統(tǒng)的整體和局部參數(shù)與氣固相間曳力的相互關系，提出了

5、基于顆粒懸浮輸送能量最小的曳力模型。并將其應用到歐拉-歐拉雙流體模型中，以解決氣固相間曳力，使動量方程中的氣固相間作用項封閉。數(shù)值模擬循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流動特性。得到了時均顆粒濃度、氣體速度和顆粒速度的分布；以及顆粒團聚物在床內(nèi)的分布特性。同時得到的時均顆粒相密度和顆粒質(zhì)量流率沿徑向的分布與Knowlton等的實驗結果相吻合。分析了瞬時顆粒濃度隨時間的變化規(guī)律。將計算結果與EMMS曳力模型的計算結果進行對比，結果表明應用基于顆粒懸浮輸

6、送能量最小的曳力模型使床內(nèi)的平均顆粒濃度降低，從而影響到顆粒擬溫度、顆粒粘度、顆粒壓力和顆粒熱傳導系數(shù)的變化。
　　應用歐拉-歐拉雙流體模型，應用顆粒動理學模擬顆粒相流動，k-ε模型模擬氣體湍流流動，氣固相間曳力采用基于顆粒懸浮輸送能量最小的曳力模型模擬，數(shù)值研究1025t/h循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固流動特性。得到了不同爐膛截面的顆粒分布規(guī)律。分析了循環(huán)倍率對爐內(nèi)顆粒流動特性的影響。采用氣固化學反應模型，研究了循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)