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湍动流化床过渡段的流体力学研究

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摘要

符号说明

1 绪论

2 文献综述

2.1 流型划分

2.1.1 湍动流型的提出与描述

2.1.2 湍动流型转变判据

2.2 流动结构

2.2.1 轴向流动结构

2.2.2 径向流动结构

2.3 内构件技术

2.3.1 内构件作用及分类

2.3.2 湍动床内构件的功能要求

2.4 检测技术

2.4.1 压力与压差脉动信号的测量

2.4.2 颗粒浓度的测量

2.4.3 颗粒速度的测量

2.4.4 其他参数的测量

2.5 流化床CFD模型

2.6 本文研究思路及内容安排

3 实验装置与检测方法

3.1 实验装置与流程

3.1.1 湍动流化床装置及实验过程

3.1.2 实验固体颗粒物料

3.1.3 操作条件

3.2 检测方法

3.2.1 电容探针法

3.2.2 动量探针法

3.2.3 光纤探针法

3.3 测量参数的选择与优化

3.4 本章小结

4 实验数据处理技术

4.1 颗粒浓度的标定与校正

4.1.1 标定实验

4.1.2 标定曲线及校正

4.2 颗粒速度的标定与校正

4.2.1 标定实验

4.2.2 数据校正

4.2.3 校正阈值比较

4.3 互相关法计算颗粒时均速度

4.3.1 互相关测速原理

4.3.2 颗粒时均速度计算方法

4.3.3 各种计算方法比较

4.4 测量信号的随机过程信息

4.4.1 概率密度分布

4.4.2 标准偏差

4.4.3 固含率功率谱分析

4.5 本章小结

5 湍动床过渡段的颗粒浓度分布

5.1 实验装置及方法

5.2 固含率时均值及其脉动参数分布

5.2.1 固含率轴向分布

5.2.2 固含率径向分布

5.2.3 概率密度分布

5.2.4 标准偏差分布

5.3 过渡段的流体力学模拟

5.3.1 流化床双流体模型

5.3.2 网格与算法

5.3.2 模拟结果

5.4 本章小结

6 湍动床过渡段的颗粒速度分布特征

6.1 实验装置及方法

6.2 颗粒时均速度测量

6.2.1 湍动床中的减速区

6.2.2 减速区影响因素

6.3 过渡段速度分布的数值模拟

6.3.1 速度矢量图

6.3.2 不同高度下的时均速度径向分布

6.4 本章小结

7 环隙式湍动床颗粒分布规律

7.1 实验装置及方法

7.2 固含率分布

7.2.1 截面平均固含率分布

7.2.2 径向固含率分布

7.3 瞬时固含率信号分析

7.3.1 概率密度分布

7.3.2 能谱分析

7.4 颗粒速度分布

7.5 本章小结

8 结论及展望

参考文献

作者介绍

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摘要

湍动流态化是介于鼓泡流态化与快速流态化之间的一种过渡流型。湍动床的一个重要特征,是密相段与稀相段之间的过渡段在床层中所占比例很大,在反应器中起着至关重要的作用,同时过渡段中固含率沿轴向和径向的分布都极不均匀,其规律还未得到清楚认识。本论文针对湍动床过渡段的流体力学展开实验与CFD模拟研究,主要包括以下几方面内容:
  1.湍动床光纤测量信号的校正与数据处理:在比较多种测量方法的基础上选择光纤测量方法同时测定固含率与颗粒速度。对颗粒浓度与速度信号分别进行标定与校正,获得浓度标定曲线并给出阈值剔除法作为速度信号的校正措施。发展出一种新的颗粒时均速度互相关测量法,适用于湍动流型下的颗粒时均速度测量。
  2.湍动床过渡段固含率分布及影响规律:对湍动床过渡段固含率分布和脉动参数的测量表明,床中固含率的轴向分布呈现S型或指数型。固含率轴向与径向分布都在过渡段内出现最大梯度,表明该处分布最为不均匀。表观气速和静床高的变化将导致S型和指数型分布的相互转变,并且对过渡段底部与壁面附近影响最大。概率密度分布表明,在静床高较小时,床层下部呈现气含率的双峰型分布。提出一个修正的三段曳力模型来考虑颗粒团聚的影响,能较好地模拟过渡段的固含率分布。
  3.湍动床过渡段颗粒速度分布特征及影响规律:根据颗粒速度分布将湍动床在轴向上分成6个区域。结合模拟结果,讨论了上部出口减速区与下部过渡段减速区的产生机理与变化规律。上部减速区由扩大段导致,下部减速区则是固含率分布与气速分布共同作用的结果。随着流化段高度减小,上部减速区下降,相邻的充分发展区与加速区缩短乃至消失;下部减速区的位置随静床高的增加而升高,随表观气速的增大而下移。
  4.环隙式湍动床过渡段中的颗粒分布规律:对湍动床(TFB)与加入立管形成的环隙式湍动床(A-TFB)的测量表明,两者固含率轴向分布随表观气速与静床高的变化规律相似,但A-TFB过渡段更短。固含率轴向分布、概率密度分布与能谱分布均表明,低气速下立管对气固相湍动具有阻碍作用,使得A-TFB下部流型更趋近鼓泡状态,而高气速下则促进湍动,使流型向快速流态化接近。低气速下以及下部密相段内,A-TFB呈现出与TFB类似的单峰型固含率与速度径向分布;高气速下以及在过渡段和稀相段内,A-TFB则呈现出双峰分布特征,表明立管的加入破坏了原有的环-核结构,改善了颗粒速度与固含率分布。

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