1、氣固兩相流的流動與反應現(xiàn)象普遍存在于能源、化工、電力等領域,一個典型的工業(yè)應用就是流化床反應器。流化床以其顆粒摻混性強、操作溫度易控制、燃料適應性廣等優(yōu)勢被廣泛應用,深入認識和研究流化床內氣固兩相流動與反應機理有著重要的現(xiàn)實意義。計算機技術的發(fā)展使得數(shù)值模擬方法已經在氣固兩相流的預測與研究中廣泛應用。然而,流化床內氣相湍流、顆粒碰撞耗散以及氣固相間多向耦合作用等問題增加了模擬的復雜性。另外,均相反應與氣固異相反應的同時存在,反應過程的吸

2、放熱溫度變化,使得氣固相間的流動與反應過程相互影響,對研究模型精度的要求更高。因此,正確合理地構建和完善數(shù)學模型對流化床內氣固兩相流動與反應的研究有重要的指導意義。
　　本文采用大渦模擬方法模擬氣相湍流,推導了考慮氣固相間作用影響的氣相亞格子湍動能方程,建立了亞格子湍動能模型。顆粒相考慮了顆粒速度脈動各向異性,采用顆粒速度脈動二階矩模型。對于氣固相間作用,不但考慮了氣固相間作用力影響,而且補充了氣固相間二階脈動能量作用的影響,類比

3、Simonin模型,通過氣相亞格子湍動能與顆粒相速度脈動二階矩之間的脈動能量傳遞來封閉氣固相間作用二階模型?？紤]氣相湍流、顆粒相速度脈動各向異性及氣固相間的一階與二階相互作用建立了氣相大渦模擬-顆粒相二階矩雙流體模型(LES-SOMModel)。將LES-SOM模型拓展到反應領域,補充了組分方程和能量方程,同時考慮了反應過程中氣相與顆粒相質量改變對流動的影響。將渦耗散概念(EddyDissipationConcept,EDC)反應模型思

4、想應用于氣相大渦模擬反應中,通過比較亞格子過濾尺度與微細結構尺度的大小關系,在微細結構上建立亞格子反應模型進行封閉。
　　應用LES-SOM雙流體模型分別對低質量流率和高質量流率提升管內氣固兩相流動特性進行數(shù)值模擬。與Jiradilok等低質量流率情況和Herbert等高質量流率情況的實驗數(shù)據吻合均較好。模擬結果顯示提升管內顆粒濃度中心低邊壁高,顆粒速度中心高邊壁低,呈典型的“環(huán)-核”流動結構。氣相亞格子湍動能與亞格子能量耗散呈中

5、心高邊壁低的分布趨勢。顆粒速度脈動各向異性明顯,顆粒相軸向速度脈動二階矩大于徑向速度脈動二階矩,分散顆粒的速度脈動二階矩及速度脈動各向異性比顆粒聚團明顯。顆粒相雷諾應力型二階矩與氣相雷諾應力型二階矩分布一致,數(shù)值上小于氣相雷諾應力型二階矩。同時比較了不同氣相大渦模擬亞格子模型、不同氣固相間二階作用模型下氣固流動特性,分析了顆粒彈性恢復系數(shù)、氣體表觀速度及顆粒入口質量流率對氣固流動的影響。隨著氣體速度增加和顆粒循環(huán)流量降低,顆粒軸向二階矩

6、與徑向二階矩的比值呈冪函數(shù)增加,其比值可達到4-4.5。顆粒濃度徑向分布由“U型”變?yōu)椤暗筓型”,分布出現(xiàn)反轉。獲得了所研究的顆粒直徑和密度為300?m和2500kg/m3時徑向顆粒濃度分布出現(xiàn)反轉、流動由“稀相流態(tài)化”變?yōu)椤翱焖倭鲬B(tài)化”的界限氣體表觀速度與界限顆粒循環(huán)流量。
　　應用LES-SOM雙流體模型,對流化床內煤顆粒的流動燃燒過程進行數(shù)值模擬。建立了煤燃燒反應模型,比較了氣相亞格子反應模型對燃燒過程模擬結果的影響,模擬得

7、到的出口處各氣體組分含量與Topal等實驗數(shù)據吻合較好。模擬結果給出了煤燃燒過程中煤顆粒與脫硫劑顆粒的濃度、速度、顆粒速度脈動二階矩及雷諾應力型二階矩分布規(guī)律,并對不同組分速度脈動各向異性進行了研究。同時得到了煤熱解、碳燃燒、揮發(fā)分燃燒、NOx氣體排放及脫硫過程中氣體及顆粒各組分分布及溫度場分布特點。總結了提升管煤燃燒過程中,反應速率隨溫度和濃度的變化規(guī)律。亞格子反應速率隨溫度升高而增大。隨顆粒濃度的增加,揮發(fā)分均相反應速率升高,而碳顆

8、粒燃燒異相反應速率逐漸降低。
　　考慮了高顆粒濃度下的摩擦應力影響,將LES-SOM雙流體模型應用于鼓泡流化床內生物質木材顆粒的氣化過程。建立了生物質氣化反應模型,比較了氣相亞格子反應模型對氣化過程模擬結果的影響,模擬得到的出口處各氣體組分含量在實驗數(shù)據允許范圍內。分析了鼓泡床內氣泡的存在對流動與反應的影響,著重研究了粒徑不同的兩種碳顆粒在反應過程中濃度、速度、顆粒速度脈動二階矩及雷諾應力型二階矩變化特性。同時分析了焦油熱解、燃氣