流化床內稠密氣固兩相流動機理的CFD-DEM耦合研究.pdf

1、稠密氣固兩相流動廣泛存在于能源、化工、冶金等工業(yè)應用過程中，對其深入研究既有助于對固相輸運特性以及氣固兩相間相互作用機理的揭示，也能為工程實際中密相設備的設計和放大提供指導。本文在歐拉-拉格朗日耦合框架下，發(fā)展了可對復雜結構床體內稠密氣固兩相流動進行大規(guī)模并行計算的計算流體力學耦合離散單元法(CFD-DEM)模擬平臺，其中對流體運動的求解在計算網(wǎng)格尺度進行，而固相運動的求解則在顆粒尺度層面對每個顆粒運動軌跡進行跟蹤。同時，將稠密兩相流動

2、中氣固之間對流換熱以及顆粒之間導熱傳熱耦合進計算框架，并加入了預測管壁磨損分布的子模塊。基于該計算平臺，對幾種工業(yè)過程中典型密相流化設備內兩相流動機理進行了分析;同時，借助于離散單元法追蹤顆粒的優(yōu)勢，從顆粒尺度層面對固相的重要運動特性進行研究。研究內容主要包含以下三個部分:
　　第一部分為三維鼓泡流化床內氣固輸運特性以及埋管傳熱和磨損機理研究。首先對三維鼓泡流化床內氣固兩相運動及其與氣泡之間的交互進行了研究，并從顆粒尺度揭示了系統(tǒng)

3、內固相耗散和湍動特性，同時考察了氣固兩相之間的傳熱特性。接著，基于單根埋管鼓泡流化床，闡釋了埋管周向不均勻換熱系數(shù)分布特性與其周向氣固流動分布特性之間的強耦合關系，并揭示了不同傳熱機理在其傳熱過程中的作用。最后，對比研究了管排方式對密相流化床內氣泡運動路徑、固相濃度、顆粒耗散及其混合的影響，并揭示了預測管束磨損分布的時均物理量。
　　第二部分是三維噴動流化床內固相輸運機理以及帶隔板雙體矩形截面狹縫噴動床內流動特性分析。首先研究了三

4、維噴動流化床內噴動一環(huán)隙區(qū)間相互作用邊界的特性及參數(shù)對其的影響，同時從顆粒尺度層面統(tǒng)計了固相在系統(tǒng)內的循環(huán)及其在不同區(qū)域的停留和耗散特性。此外，考察了操作參數(shù)（表觀氣速、顆粒粒徑）及床體放大對這些特性的影響。接著，對實驗室尺度的帶隔板三維矩形截面狹縫雙體噴動床內時均流動特征進行了分析，并揭示了噴動區(qū)邊界特性以及噴動區(qū)-環(huán)隙區(qū)之間作用的強度參數(shù)，同時研究了隔板高度對系統(tǒng)腔室間作用的影響。
　　第三部分研究了帶隔板內循環(huán)流化床內典型氣

5、固流動特征及固相停留和耗散特性，同時量化研究了三維整床循環(huán)流化床內采用雙側返料方式對提升管內氣固流動不均勻性改善程度。首先深入分析了內循環(huán)床內氣固流動機制，標識了床體內氣泡優(yōu)先上升路徑及固相優(yōu)先循環(huán)路徑，同時研究了操作條件（流化風速和顆粒直徑）和床體結構參數(shù)（隔板傾角、熱交換腔側墻傾角、隔板底部通道高度等）對固相循環(huán)、停留和耗散特性的影響。接著，對三維雙側返料循環(huán)流化床內全床氣固流動的分布特性進行了研究，考察了提升管內復雜稠密流動及其典