本文關鍵詞：流化床反應器內流動與反應特性的多尺度數(shù)值模擬

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【摘要】：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。對于流化床內所具有的稠密氣固兩相流動過程,由于流體微團、氣泡和顆粒聚團的隨機運動,導致狀態(tài)參數(shù)的變化與流動的結構形態(tài)都呈現(xiàn)出了十分復雜的關系。深入認識和掌握流化床內氣固兩相流動規(guī)律和反應機理對于工程應用和預測具有十分重要的意義。隨著計算機技術的不斷發(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,而在模擬過程中構建合理完善的數(shù)學模型是求解的關鍵�；谟嬎憔W(wǎng)格內分散顆粒和顆粒聚團同時存在的多尺度結構,確立了密相和稀相加速度與網(wǎng)格局部結構參數(shù)之間的關系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的非均勻流動結構的形成條件,基于雙變量極值理論,考慮網(wǎng)格壓力梯度的影響,構建了考慮顆粒聚團影響的多尺度氣固相間曳力模型。通過考慮非均勻流動結構對氣固相間作用力、化學反應以及傳熱傳質過程的影響,建立了多尺度作用下氣體-顆粒流動-反應耦合的雙流動模型。應用基于顆粒聚團影響的多尺度流動模型,對高質量流率與低質量流率的提升管中氣固流動特性進行了數(shù)值模擬。模擬結果再現(xiàn)了提升管內典型的環(huán)-核流動結構,同時捕捉到了顆粒聚團和分散顆粒同時存在的非均勻流動結構,觀察到了顆粒聚團的運動、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),較大的壁面摩擦會降低顆粒脈動能量的耗散,使壁面處顆粒濃度增大。通過對氣固加速度的分析發(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構參數(shù),考慮顆粒聚團在化學反應過程中的影響,構建了多尺度反應與傳熱傳質計算模型,應用該模型對提升管反應器內載氧體的再生過程進行了數(shù)值模擬。結果表明,顆粒聚團導致密相區(qū)與稀相區(qū)的化學反應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)的反應速率呈現(xiàn)出較大程度的提高,而稀相區(qū)反應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。應用基于顆粒聚團影響的多尺度氣固流動-反應計算模型,對雙循環(huán)流化床耦合反應器系統(tǒng)內化學鏈燃燒過程進行了數(shù)值模擬,獲得了空氣反應器與燃料反應器內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果相吻合。比較了不同摩擦應力模型對于床內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濃度分布的影響。顆�？偛亓枯^大時,顆粒濃度沿軸向幾乎分布于整個燃料反應器,而顆粒總藏量小到一定程度時,顆粒在燃料反應器中無法實現(xiàn)自循環(huán)。同時分析了顆粒聚團對于氣體組分與溫度分布的影響。將氣泡作為介尺度結構,考慮乳化相內顆粒相壓力與相間虛擬質量力的影響,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行了多尺度模擬研究。模擬結果與實驗結果相吻合,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系。采用電容層析成像濃度流量測試儀,進行了三維鼓泡流化床內氣體-顆粒流動的實驗研究,分析了鼓泡流化床內顆粒的分布規(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)實驗結果。應用基于氣泡和顆粒聚團的多尺度曳力模型,結合化學動力學模型,對串行流化床反應器中化學鏈重整過程進行了模擬,觀察到了床內顆粒所形成的內循環(huán)流動結構。通過與實驗值的比較發(fā)現(xiàn),考慮介尺度結構影響后的預測值更貼近于實驗結果。比較了操作速度,反應溫度以及操作壓力等參數(shù)對反應產(chǎn)物的影響。反應溫度的降低和燃料進口速度的提高可以在一定程度上增加氫氣的產(chǎn)量,適當?shù)靥岣咚魵獾倪M口份額可以有效地提高氫氣的產(chǎn)量,操作壓力的增大會使進口燃料氣體的流量增大,進而降低燃料轉化率和氫氣的產(chǎn)量。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ021
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本文編號：1187476