气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟

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近代固体流态化技术在工程中作为一种重要的流―固相间物理操作技术被广泛采用。流化床是典型的流态化多相流操作技术。由于多相流行为是一个典型的混沌过程和非线性过程,对各种床内参数,如压力脉动值、局部相含率、颗粒速度、颗粒温度、气泡尺寸等动态变化过程的剖析,可以获得更深层次的信息。近年来兴起的计算流体力学(CFD)方法,具有方便的测定实验中不易测得的数据、优化实验设备、修正及验证理论模型、降低实验费用等优点,引起了许多研究者的兴趣。本文采用流体力学模拟软件FLIUENT 6.2,结合本实验室测量数据,首先优化气固流化床分布板开孔率,然后采用最佳开孔率分布板,测量气―固流化床内局部固体浓度、床层压降等参数,并与模拟值进行比较。根据结果比较,修正及验证数值模型,获得最佳普适性和可靠性强的数值模型。第一,采用实验与模拟相结合的方法,研究三种不同分布板开孔率(φ=0.46,0.86,1.10%)对分布板压降、局部固体浓度、气泡尺寸、床层压降等参数的影响,确定最佳开孔率。研究结果表明,随开孔率的增大,分布板压降和分布板附近形成气泡尺寸减小,颗粒流化质量降低。开孔率对平均床层压降影响较小,但对床层压力波动影响较大。根据对各参数的综合研究,确定最佳开孔率为0.46%。第二,为减小计算误差,通过研究几何模型、网格数量、最小时间步长、颗粒碰撞恢复系数等因素对计算结果的影响,确定最佳计算参数。根据表观气速对流化状态的影响,确定模拟气速大于0.04 m·s-1。在以上参数条件下,研究Syamlal-O’Brien、Gidaspow和Wen and Yu三种曳力模型对流化状态的影响。根据三种曳力模型对固体浓度分布和气、固速度等参数的影响,本文选用Syamlal-O’Brien曳力模型,并根据实验数据对曳力模型进行了修正,减小计算偏差。第三,研究声场流化床内流体动力学行为。在修正曳力模型基础上,根据声场对颗粒速度和固体动量方程的影响,建立气―固流化床声学模型。将声学模型编程后导入FLUENT软件,考察声压级对局部固体浓度、气泡特征、压力波动、颗粒速度、颗粒温度等参数的影响。将模拟值与实验测量数据进行比较,验证了模型的可靠性。研究结果表明,在一定误差范围内,计算值与实验数据吻合较好,可以正确反映声场流化床的流体动力学行为。但部分模拟结果与文献数据有一定的差别,说明本文建立的声学模型有待于进一步的修正和研究。
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