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为系统地采用数值方法研究气流床煤气化炉的运行特性,本文基于简化PDF方法对气流床煤气化炉建立三维数值模型,并对一台Texaco气化炉和清华大学分级气化炉进行了数值计算。通过对主要子模型进行评估、对预测结果同测试值进行比较、以及定量分析采用单组分简化PDF模型带来的误差,完成了对三维模型的模型验证和数值计算检验(Validation and Verification)。针对雷诺时均法(RANS)在耦合湍流-颗粒运动、湍流-化学反应时存在的理论欠缺,本文采用低维度湍流模型结合RANS方法解决这一困难,为此在一维湍流模型(ODT)基础上提出一种颗粒-涡团作用模型,模拟了平面自由射流中颗粒在亚尺度网格下的扩散过程。全文主要结论如下。(1)选取六面体贴体网格以及1/4炉体作为计算域能够达到节省计算时间和保证计算精度的最优效果;在三维复杂网格情况下,RSM模型受网格质量影响较大,Realizable k-ε模型适合用于对气流床煤气化炉冷态流场的计算。(2)基于单组分简化PDF方法的三维数学模型合理预测了一台Texaco气化炉和清华大学分级气化炉的出口组分及运行特性。气化炉中碳转化率>80%的区域内,简化PDF模型由于平衡假定、预设PDF形状以及煤气化过程中各元素均匀释放假定所造成的计算误差在10%以内。(3)ODT模型可再现平面自由射流的自相似性以及雷诺应力Reuu和Revv的分布特性,能够准确预测射流半宽及轴向速度衰减;预测结果显示涡团集中分布在射流剪切层上,涡团发生概率最大点的分布同射流半宽分布相吻合。(4)对颗粒在平面自由射流中扩散过程的计算结果表明,颗粒在扩散过程中会发生团聚现象;粒径与颗粒扩散程度成反比,小颗粒的质量流率在近喷嘴处为Gaussian分布,大颗粒质量流率在近喷嘴处呈现双峰分布,接近充分发展段才为Gaussian分布。这是因为模型中考虑了射流卷吸作用以及涡团扰动两种影响颗粒扩散的机理,在近喷嘴处射流卷吸作用对大颗粒运动起决定性作用。(5)受颗粒自身惯量和涡团作用的影响,St≈1的颗粒对涡团作用最为敏感。