流化床反應(yīng)器內(nèi)流動與反應(yīng)特性的多尺度數(shù)值模擬.pdf

1、氣固兩相流現(xiàn)象普遍存在于自然界和能源、化工、冶金、材料等工業(yè)過程中。對于流化床內(nèi)所具有的稠密氣固兩相流動過程，由于流體微團(tuán)、氣泡和顆粒聚團(tuán)的隨機(jī)運(yùn)動，導(dǎo)致狀態(tài)參數(shù)的變化與流動的結(jié)構(gòu)形態(tài)都呈現(xiàn)出了十分復(fù)雜的關(guān)系。深入認(rèn)識和掌握流化床內(nèi)氣固兩相流動規(guī)律和反應(yīng)機(jī)理對于工程應(yīng)用和預(yù)測具有十分重要的意義。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬研究已經(jīng)成為了解決兩相流動問題的重要手段，而在模擬過程中構(gòu)建合理完善的數(shù)學(xué)模型是求解的關(guān)鍵。
　　基于計

2、算網(wǎng)格內(nèi)分散顆粒和顆粒聚團(tuán)同時存在的多尺度結(jié)構(gòu)，確立了密相和稀相加速度與網(wǎng)格局部結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，建立了多尺度曳力消耗能量最小的非均勻流動結(jié)構(gòu)的形成條件，基于雙變量極值理論，考慮網(wǎng)格壓力梯度的影響，構(gòu)建了考慮顆粒聚團(tuán)影響的多尺度氣固相間曳力模型。通過考慮非均勻流動結(jié)構(gòu)對氣固相間作用力、化學(xué)反應(yīng)以及傳熱傳質(zhì)過程的影響，建立了多尺度作用下氣體-顆粒流動-反應(yīng)耦合的雙流動模型。
　　應(yīng)用基于顆粒聚團(tuán)影響的多尺度流動模型，對高質(zhì)量流率與

3、低質(zhì)量流率的提升管中氣固流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果再現(xiàn)了提升管內(nèi)典型的環(huán)-核流動結(jié)構(gòu)，同時捕捉到了顆粒聚團(tuán)和分散顆粒同時存在的非均勻流動結(jié)構(gòu)，觀察到了顆粒聚團(tuán)的運(yùn)動、長大與破碎過程。模擬得到的顆粒濃度和速度分布與實驗結(jié)果相吻合。為了考慮壁面摩擦的影響，將壁面摩擦壓降嵌入到密相區(qū)與稀相區(qū)的動量守恒方程中，進(jìn)而得到考慮壁面摩擦的多尺度氣固相間曳力模型。研究發(fā)現(xiàn)，較大的壁面摩擦?xí)档皖w粒脈動能量的耗散，使壁面處顆粒濃度增大。通過對氣固加

4、速度的分析發(fā)現(xiàn)，加速度的最大幅值大于重力加速度一個數(shù)量級之多，求解時不能被忽略。
　　通過多尺度氣固相間曳力模型得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮顆粒聚團(tuán)在化學(xué)反應(yīng)過程中的影響，構(gòu)建了多尺度反應(yīng)與傳熱傳質(zhì)計算模型，應(yīng)用該模型對提升管反應(yīng)器內(nèi)載氧體的再生過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，顆粒聚團(tuán)導(dǎo)致密相區(qū)與稀相區(qū)的化學(xué)反應(yīng)以及組分濃度分布產(chǎn)生明顯的差異，相較于稀相區(qū)，密相區(qū)氧氣濃度沿軸向變化顯著。隨著顆粒濃度的增大，密相區(qū)與相間作用區(qū)的反應(yīng)速率呈現(xiàn)出

5、較大程度的提高，而稀相區(qū)反應(yīng)速率受顆粒濃度影響較小。忽略密相區(qū)與稀相區(qū)之間的氣體組分質(zhì)量交換后，密相區(qū)與稀相區(qū)組分濃度差異變得十分顯著，而相區(qū)間的熱量交換對溫度場的影響相對較小。
　　應(yīng)用基于顆粒聚團(tuán)影響的多尺度氣固流動-反應(yīng)計算模型，對雙循環(huán)流化床耦合反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)鏈燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了空氣反應(yīng)器與燃料反應(yīng)器內(nèi)流場特性和氣體組分與溫度場分布規(guī)律。模擬得到的氣體壓力分布與出口氣體組分分布與實驗結(jié)果相吻合。比較了不同摩擦

6、應(yīng)力模型對于床內(nèi)顆粒流動行為的影響，評估了不同的顆粒總藏量以及給料口位置對床內(nèi)濃度分布的影響。顆粒總藏量較大時，顆粒濃度沿軸向幾乎分布于整個燃料反應(yīng)器，而顆?？偛亓啃〉揭欢ǔ潭葧r，顆粒在燃料反應(yīng)器中無法實現(xiàn)自循環(huán)。同時分析了顆粒聚團(tuán)對于氣體組分與溫度分布的影響。
　　將氣泡作為介尺度結(jié)構(gòu)，考慮乳化相內(nèi)顆粒相壓力與相間虛擬質(zhì)量力的影響，建立了適用于鼓泡流化床的多尺度氣固相間曳力模型，同時對鼓泡流化床中氣固流動特性進(jìn)行了多尺度模擬研究

7、。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，同時得到了固相壓力，加速度等參數(shù)與顆粒濃度的變化關(guān)系。采用電容層析成像濃度流量測試儀，進(jìn)行了三維鼓泡流化床內(nèi)氣體-顆粒流動的實驗研究，分析了鼓泡流化床內(nèi)顆粒的分布規(guī)律。研究表明，考慮氣泡影響的多尺度氣固相間曳力模型可以更好地再現(xiàn)實驗結(jié)果。
　　應(yīng)用基于氣泡和顆粒聚團(tuán)的多尺度曳力模型，結(jié)合化學(xué)動力學(xué)模型，對串行流化床反應(yīng)器中化學(xué)鏈重整過程進(jìn)行了模擬，觀察到了床內(nèi)顆粒所形成的內(nèi)循環(huán)流動結(jié)構(gòu)。通過與實驗值的比