（应用数学专业论文）随机粒径流化床的lagrange模拟.pdf

西北工业大学硕 卜 学位论文 摘要 本文基于颗粒轨道模型 建立了颗粒直径服从随机分布的软球方法和硬球力 法 其中流体运动用两相祸合 体积平 均的 n a v i e r s t o k e 方程描述 果 臾 粒运 动 满足牛顿第二定理 两相间的祸合由牛顿第三定理确定 本文分为三个部分对随 机粒径流化床中的 动态行为进行了数 值模拟 1 根据 c u n d a l l 和s t r a c k 提出的d e m 建立了 固相颗粒直 径服从随机分 布的软球方法 模拟了随机粒径流化床中单孔 双孔 三孔分布板中气泡的形成 上升 破裂过程以及节涌现象 并分别研究了表观气速 粒径分布 颗粒刚度系 数不同时 固相颗粒的 速度分布规律 其研究结果表明 表观气速和分布板结构 对气泡行为及颗粒轴向速度均有一定影响 随表观气速的增加 气泡形成 上 升 破裂的速度加快 且颗粒轴向速度也相应增大 并且刚度系数越大 颗粒轴向速 度随时间衰减越快 宽粒径分布的 颗粒轴向 速度大于窄粒径分布的 颗粒轴向 速 度 2 基于动量定理处理颗粒间的碰撞 建立了固相颗粒直径服从随机分布的 硬球方法 改 进了 粒径服从随机分布的 颗粒碰撞搜索 技术 模拟了单孔 双孔 三孔分布板中 气泡的形成 上升 破裂过程以 及流化床中的节涌现象 并 研究了 粒径分布不同时 固相颗粒的速度分布规律 研究结果 表明 分布板中 孔的个数 不同 气泡行为也不同 宽粒径分布的颗粒轴向速度大于窄粒径分h的颗粒轴 句 速度 3 为了比较硬球模拟与软球模拟的 差异 用硬球方法和软球方法分别模拟 了随机粒径流化床中的动态行为 比较了颗粒平均速度及颗粒运动轨迹的差异 研究了 恢复系数对流化床中动态行为 颗粒平均速度的影响 研究结果表明 对 流化床中动态行为进行模拟的数值结果强烈地依赖 于 恢复系数 恢复系数较小 时 硬球方法可以模拟出 鼓泡现象 恢复系数较大时 软球力 一 法可以 模拟出 鼓泡 现象 并且硬球方法和软球方法中的恢复系数对颗粒平均速度有截然不同的影 响 恢复系数 越大时 硬球方法中颗粒平均速度随时间的 变化 越大 而软球方法 中颗粒平均速度随时i h 1 的变化越小 尽管硬球方法比软球方法更加准确地考虑 j 颗粒碰撞 但由于硬球方法和软球方法处理颗粒碰撞方式的不同 以及颗粒碰撞 西北了 业大学硕十学位论文 时间步长选取原则的差异 使得硬球模拟需要的计算时间远大于软球模拟 a 要的 i f 一 算时i ri 1 关键词 气固流化床 软球方 法 硬球方 法随机粒径 鼓泡节涌 颗粒速度 恢复系数 西北 业大学硬 卜 学位论文 abs tract i n t h e e n g i n e e r i n g p a rt i c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d s o m e d i s t r i b u t i o n r u l e s i n g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s b u t w h ic h i s n t o b e y e d i n p r e v i o u s s t u d i e s b a s e d o n t h e p a r t i c l e m o t i o n r e s o l v e d d i s c r e t e m o d e l a s o f t s p h e r e m e t h o d a n d a h a r d s p h e r e m e t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d i z a t i o n a r e e s t a b l i s h e d i n w h ic h p a rt i c l e d i a m e t e r s o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n i n o u r m o d e l t h e p a rt i c l e s m o t i o n i s d o mi n a t e d b y u s i n g t h e n e w t o n s s e c o n d l a w a n d fl u i d m o t i o n i s d e s c r i b e d b y t h e n a v i e r s t o k e s e q u a t i o n t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t w o p h ase i s t r e a t e d b y t h e th i r d n e w t o n i a n t h e o r y d y n a m i c b e h a v i o r s i n t h e g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s a r e s i m u l a t e d f o r t h r e e p a r t s f i r s t l y a s o ft s p h e r e m e t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d i z a t i o n i s e s t a b l i s h e d i n w h ic h p a r ti c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n t h e a b o v e me n t i o n e d m o d e l h as b e e n u s e d f o r s i m u l a t i n g b u b b l i n g a n d s l u g g i n g b e h a v i o r s i n t h e fl u i d i z e d b e d s t h e n t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f s o l i d v e l o c i t i e s a r e s t u d i e d w h e n g a s s u p e r f i c ia l v e l o c i t i e s s t i f f n e s s a n d d i s t r i b u t i o n s o f p a rt i c l e d i a m e t e r s a r e d i f f e r e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t r u c t u r e o f d i s t r i b u t o r a n d g a s s u p e r f i c i a l v e l o c i t y h a v e s o m e i n fl u e n c e s o n t h e b u b b l i n g p h e n o m e n a a n d t h e f o r m a t i o n r i s e a n d b r e a k o f b u b b l e s a r e a c c e l e r a t e d wi t h in c r e a s i n g t h e g a s s u p e r fi c i a l v e l o c it y t h e b i g g e r t h e s t i f f n e s s i s t h e q u i c k e r t h e a x i a l s o l i d v e l o c i t i e s d e c a y s w i t h i n c r e a s i n g t i m e a t t h e s a m e t i m e t h e a x i a l s o l i d v e l o c i t i e s o f w i d e d i s t r i b u t i o n f o r d i ff e r e n t p a r t i c l e d i a me t e r s a r e b i g g e r t ha n t h a t o f n a r r o w di s t r i b u t i o n s e c o n d l y a h a r d s p h e r e me t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d iz a t i o n e s t a b l i s h e d i n w h i c h p a rt i c l e d i a me t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n a t t h e s a m e t i m e t h e s e a r c h i n g s t r a t e g y o f p a rt i c l e c o l l i s i o n i s a l s o i m p r o v e d t h e a b o v e m e n t i o n e d m e t h o d h a s b e e n u s e d f o r s i m u l a t i n g b u b b l i n g a n d s l u g g i n g b e h a v i o r s i n t h e fl u i d i z e d b e d s an d t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f s o l i d v e l o c it i e s a r c s t u d i e d w h e n d i s t r i b u t i o n s o f p a r t i c l e d i a m e t e r s a r e d i f f e r e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s 西北工业人学硕 卜 学位论文 i n d i c a t e t h a t t h e s t r u c t u r e o f d i s t r i b u t o r h a s d i s t i n c t i n flu e n c e s on b e h a v i o r s mo r e o v e r t h e a x i a l s o l i d v e l o c it i e s o f wi d e d i s t r i b u t i o n t h e b u b b li n g f o r di ffe r e n t p a r t i c l e d i a me t e r s a r e b i g g e r t h a n t h a t o f n a r r o w d i s t r i b u t i o n t h i r d l y i n o r d e r t o c o m p a r e t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n h a r d s p h e r e me t h o d a n d s o ft s p h e r e m e t h o d t h e d y n a mi c b e h a v i o r s i n g a s s o l id fl u i d i z e d b e d s a r e s i mu l a t e d b y h a r d s p h e r e m e t h o d a n d s o ft s p h e r e m e t h o d i n w h i c h p a r t i c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n a n d p a r t i c l e a v e r a g e v e lo c i t i e s w i t h i n c r e a s i n g t i me a n d p a rt i c l e t r a j e c t o r i e s a r e c o m p a r e d a t t h e s a m e t i me t h e d y n a m i c b e h a v i o r s i n f l u i d i z e d b e d s a n d t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f p a r t i c le a v e r a g e v e l o c i t y a r e a l s o s t u d i e d w h e n r e s t i t u t i o n c o e ffi c i e n t s a r e d i ff e r e n t s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t s o f h a r d s p h e r e m e t h o d a n d s o ft s p h e r e me t h o d h a v e d i s t i n c t i n fl u e n c e o n p a rt i c l e a v e r a g e v e l o c i t i e s t h e b u b b l i n g p h e n o m e n a c a n b e s i mu l a t e d b y h a r d s p h e r e m e t h o d wh e n r e s t i t u t i o n c o e ff i c i e n t s a r e s ma l l e r w h i l e i t c a n b e s i mu l a t e d m e t h o d w h e n r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t s a r e b i g g e r t h e b i g g e r r e s t i t u t i o n b y s o f t s p h e r e c o e mde n t s a r e t h e l a r g e r a r e t h e c h a n g e o f p a r t i c l e a v e r a g e v e lo c i t i e s i n h a r d s p h e r e m e t h o d b u t t h e s m a l l e r a r e t h e c h a n g e o f p a rt i c l e a v e r a g e v e l o c i t ie s i n s o ft s p h e r e m e t h o d m o r e o v e r t h e c p u t i me i n h a r d s p h e r e m e t h o d i s mu c h b i g g e r t h a n t h a t o f s o f t s p h e r e m e t h o d d u e t o t h e d i ff e r e n t w a y s i n d e a l i n g w i t h t h e c o l li s i o n s a n d t h e d i ff e r e n t t i m e s t e p o f p a r t i c l e c o l l i s i o n s k e y w o r d s g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s o f t s p h e r e m e t h o d h a r d s p h e r e mo d e l r a n d o m p a r t i c l e d i a m e t e r s b u b b l e s l u g p a rt i c l e v e l o c i t y r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t i v 西北工业人学q 学位论义 第一章 绪 论 多 相流在实际生活中 随处可 见 近年来随着七 业的发 展 多相流在工业中 的 应用已 经非常广泛 燃烧过程中细微颗粒物的形成和长大 循环流化床的燃煤锅 炉 利用颗粒分离特性所起的 环保性能 和充分的 燃烧 冶金烧结一 艺 气体输送 粉末颗粒等等都是多相流在工业中的 应用 在自 然现象中 人之 l i l l 雾和雨 的形成 山体滑坡时的 泥石流 刮风时灰尘 空气 水分一 起构 成的流动 还有沙漠y 1 常 见的风沙运动等 也都是多相流的现象 气固两相流动是多相流动的一个重要研究领域 传统研究气lv f 两相流的方法 是实验 研究方法和理 论研究方法 实验研究因为花费时间多 经费i j 使得研究 受到经济条件和时间的限制 而理论 研究的许多计算公式都是 准数学关联式 川 且是在一定条件才成立 适用范围比较窄 近 年来 随 着计算机硬件的 迅速发展 气固两相流的 数值模拟方法和实验研究方法成为相辅 相成的研究手段 数值 模拟 省时又省力 它既可以 模拟复杂 流动的详细结构 又可以做孤立因 素的优 化分析 在工业中 气固两相流的 数值模 拟与实验 手段相互结合 为实际应用提供了 新的 研究方法 并对未来的 研究提供了预 测手段 但是影响 气固两相流动的因素 很多 也很复杂 有许多因素使得气固两 相流的 机理还不清楚 给出具体的受力农 达式 就很困难 所以不可能全面考虑颗粒的受力情况 这还有待于我们进步的研究 互 气 固流化床及流态化的研 究概况及意义 气固流化床指粒状固体与流体接触时 固体的行为表现出一些类似于沸腾液 体的 性质 呈现此种状态的固体 床层称为 流化床 流态化是指粒状固体通过 与流体接触而转变成类似流体状态的操作 l 1 流态化是一门研究和处理工业过程中固体颗粒与气相 液相 气液相之间的 混合 传质 传热的多相流技术 在流化床内 细颗粒始终悬浮于流体中并激烈 运动 整个床层象沸腾的水那样 具有类似液体的自由流动性 这种操作力 一 式能 够强化物质扩散过程 提高反应速度 提高传热效率 对于催化剂寿命较短或需 频繁再 生的场合更具 有优越性 因此流态化技术自 二 战期间人规模土 业 化以 来 受到工程界 学术界的关注 并以其独特的优势不断向固定床 艺发起挑战 迄 西北工业人学q 学位论义 第一章 绪 论 多 相流在实际生活中 随处可 见 近年来随着七 业的发 展 多相流在工业中 的 应用已 经非常广泛 燃烧过程中细微颗粒物的形成和长大 循环流化床的燃煤锅 炉 利用颗粒分离特性所起的 环保性能 和充分的 燃烧 冶金烧结一 艺 气体输送 粉末颗粒等等都是多相流在工业中的 应用 在自 然现象中 人之 l i l l 雾和雨 的形成 山体滑坡时的 泥石流 刮风时灰尘 空气 水分一 起构 成的流动 还有沙漠y 1 常 见的风沙运动等 也都是多相流的现象 气固两相流动是多相流动的一个重要研究领域 传统研究气lv f 两相流的方法 是实验 研究方法和理 论研究方法 实验研究因为花费时间多 经费i j 使得研究 受到经济条件和时间的限制 而理论 研究的许多计算公式都是 准数学关联式 川 且是在一定条件才成立 适用范围比较窄 近 年来 随 着计算机硬件的 迅速发展 气固两相流的 数值模拟方法和实验研究方法成为相辅 相成的研究手段 数值 模拟 省时又省力 它既可以 模拟复杂 流动的详细结构 又可以做孤立因 素的优 化分析 在工业中 气固两相流的 数值模 拟与实验 手段相互结合 为实际应用提供了 新的 研究方法 并对未来的 研究提供了预 测手段 但是影响 气固两相流动的因素 很多 也很复杂 有许多因素使得气固两 相流的 机理还不清楚 给出具体的受力农 达式 就很困难 所以不可能全面考虑颗粒的受力情况 这还有待于我们进步的研究 互 气 固流化床及流态化的研 究概况及意义 气固流化床指粒状固体与流体接触时 固体的行为表现出一些类似于沸腾液 体的 性质 呈现此种状态的固体 床层称为 流化床 流态化是指粒状固体通过 与流体接触而转变成类似流体状态的操作 l 1 流态化是一门研究和处理工业过程中固体颗粒与气相 液相 气液相之间的 混合 传质 传热的多相流技术 在流化床内 细颗粒始终悬浮于流体中并激烈 运动 整个床层象沸腾的水那样 具有类似液体的自由流动性 这种操作力 一 式能 够强化物质扩散过程 提高反应速度 提高传热效率 对于催化剂寿命较短或需 频繁再 生的场合更具 有优越性 因此流态化技术自 二 战期间人规模土 业 化以 来 受到工程界 学术界的关注 并以其独特的优势不断向固定床 艺发起挑战 迄 西北j业大学硕 i s 学位论文 今为止 流态化技术已渗透到石油 化工 冶金 原子能 环保 材料 生物一 程 小 麦 分 级 矿物 分 选 谷 物 风 选等 工 农 业 生 产 领 域 2 1 流态化研究既具有工程学科的复杂性 又拥有基础研究的难度 囚此流态化 是兼基础理论 应用开发 多学科交叉的工程基础学科 其研究成果对国民经济 具有重要的作用 随着 2 1 世纪的来临工业正面临一场新的技术革命 要求先进的 技术来设 计 更清洁的工艺过程 对于流态化技术的 应用也遇到了 新的挑战 资源 环境 人口是新世纪面临的巨大问 题 合理开发利用地球资 源 提高生产力与可 持续发 展 保护环境为流态化技术提供了更加广阔的市场 在多种工程领域 正等待我 们用新技术 新思维 新方法对流态 化的 应用加以开拓与 发展川 1 2论文结构及 主要工作 论文的结构安排如下 第一章 介绍气固流化床的研究意义 第二章 介绍气固两相流的研究概况 第三章 介绍气固两相流的模拟方法 第四章 介绍本文对气固流化床进行模拟所用的方法 第五章 分别给出软球方法和硬球方法的数值算例 第六章 比较软球模拟和硬球模拟的差异 实际工程中 气固 流化 床中 固相粒径服从一定的分布规律 但在近年来的研 究中 粒径都是人为给定而不服从随机分布 因此具有一定的局限性 本文用概 率 统计中产生随 机数的方法随机产生颗粒直径 建 了 气固流化床中颗粒t 1 径服 从随机分布的软球方法和硬球方 法 为真实模拟气固两相流动提供了 有效的方 法 本文主要模拟了随机粒径流化床中颗粒的动态行为 主要工作如下 1 用软球方法模拟了 随机粒径流化床中的鼓泡和节 涌现象 讨论了 分布板结钩 表观气速 刚度系数 粒径分布 恢复系数对模拟的影响 2 用硬球方法模拟了随机粒径流化床中的鼓泡和节涌现象 讨论了 分布板结构 粒径分布 恢复系数对模拟的影响 西北j业大学硕 i s 学位论文 今为止 流态化技术已渗透到石油 化工 冶金 原子能 环保 材料 生物一 程 小 麦 分 级 矿物 分 选 谷 物 风 选等 工 农 业 生 产 领 域 2 1 流态化研究既具有工程学科的复杂性 又拥有基础研究的难度 囚此流态化 是兼基础理论 应用开发 多学科交叉的工程基础学科 其研究成果对国民经济 具有重要的作用 随着 2 1 世纪的来临工业正面临一场新的技术革命 要求先进的 技术来设 计 更清洁的工艺过程 对于流态化技术的 应用也遇到了 新的挑战 资源 环境 人口是新世纪面临的巨大问 题 合理开发利用地球资 源 提高生产力与可 持续发 展 保护环境为流态化技术提供了更加广阔的市场 在多种工程领域 正等待我 们用新技术 新思维 新方法对流态 化的 应用加以开拓与 发展川 1 2论文结构及 主要工作 论文的结构安排如下 第一章 介绍气固流化床的研究意义 第二章 介绍气固两相流的研究概况 第三章 介绍气固两相流的模拟方法 第四章 介绍本文对气固流化床进行模拟所用的方法 第五章 分别给出软球方法和硬球方法的数值算例 第六章 比较软球模拟和硬球模拟的差异 实际工程中 气固 流化 床中 固相粒径服从一定的分布规律 但在近年来的研 究中 粒径都是人为给定而不服从随机分布 因此具有一定的局限性 本文用概 率 统计中产生随 机数的方法随机产生颗粒直径 建 了 气固流化床中颗粒t 1 径服 从随机分布的软球方法和硬球方 法 为真实模拟气固两相流动提供了 有效的方 法 本文主要模拟了随机粒径流化床中颗粒的动态行为 主要工作如下 1 用软球方法模拟了 随机粒径流化床中的鼓泡和节 涌现象 讨论了 分布板结钩 表观气速 刚度系数 粒径分布 恢复系数对模拟的影响 2 用硬球方法模拟了随机粒径流化床中的鼓泡和节涌现象 讨论了 分布板结构 粒径分布 恢复系数对模拟的影响 两北下业大学硕 学位论文 鉴于软球方法和硬球方法是颗粒轨道模型中两种平行的 模拟方法 本论文 对 软 球模拟和硬球模拟的差异进行了比 较 西北丁业大学硕 学位论义 第二章 气固两相流的研究概况 模拟气固两相流动主要有三种数值模拟的模型 双流体模型 拟颗粒模v 颗粒轨道模型 2 双流体模型 双流体模型早在 6 0年代就开始发展 在气固流化系统中 从宏观上讲固体 状态类似于某种类型的流体 故在许多流化床的模拟中 固体被处理为 拟流体 气固两相被认为是连续且可互相渗透的介质 气相和固相都在 e u l e r 坐标系 下 处 理 控制方程均采用质量 动量 能量守恒方程描述 这样 气相和固相的计算 可以 采用统一的计算形式和方法 从而 使得大规 模的计算成为可能 近年来许多 研究者用双流体模型做了大量的研究 并且取得很大的成就 但是双流体模型中 的固相连续性假设使得该模型 不能用以分辨固体状态的离散特性 从而阻 碍了 它 在介观尺度上的模拟研究 2 2拟颗粒模型 拟颗粒模型是一种新型的 模型 该模型把气体离散为 气体微团 即气体被处 理 为 拟 颗 粒的 离 散 介 质 固 相 颗 粒也 是 离 散 的 气 相 和 固 相都 在l a g r a n g e 坐 标 系下处理 拟颗粒模型基于分子层次 又高于分子层次 因 此它能模拟微观与介 观层次的一些复杂现象 但是它的 理论体 系还不 完善 2 见 固两相都被 处理为禹故 介质 导致所需的计算量及计算机 内存很大 2 3颗粒轨道模型 近年来 随计算机硬件的迅猛发展 直接对颗粒进行追踪的颗粒轨逆模 t t i 到了关注 颗粒轨道模型把流体看作连续介质 固体看作离散颗粒 在e u l e r 标系下处理气相运动 在 l a g r a n g e 坐标系 下处理离散颗粒的 运动 在颗粒轨道 模型中 有三种主 要的数值模拟方法 软 球方 法 硬球方 法 d s m c方 法 西北工业大学映i 学位论义 2 3 1软球方法 软球方法是将颗粒处理为有弹性的球 此方法考虑 的 是颗粒间的多 体碰撞 允许 颗粒发生如图2 1 所示的 相互重叠 且颗粒间的相互作用有一定的接触时间 颗 粒的碰撞分为颗粒与颗粒 颗粒与壁面的碰撞 其中壁 面被看作是速度为零 直径为无穷大的颗粒 近年来有许多学者用软球方法对气固流化床的动态 行为进行了 研究 c u n d a l l 等人 3 1 最早 应用了 软球方法 用弹簧 测量变形的影响 阻尼器 测量阻尼的影响 图 2 1软球力法 中多个颗粒i司的碰抽 滑动器 测量摩擦的影 响 来模拟颗粒与颗粒 颗粒与壁面的对心碰撞和偏心碰撞 用弹性 阻尼 滑 移机理计算颗粒间的接触力 颗粒间的相互作用由图2 2 所不的力学 系统模拟 d a s 卜p a t 1 测法向力 2 测切向力 图2 2模拟接触力的力学系统 t s u j i 等 人 f4 1用软 球 方 法 模 拟了 水 平 管 道 中 的 节 涌 现 象 详 细讨 论 了 颗 粒 碰 撞la 1 按 触力的计 算 以及接触力计算公式中 三个参数 刚 性系数 摩擦系数 阻厄系数 的 计算表达式 并给出了恢复系数与阻 尼系数之间的关系 在此基础 f t s u j i 等 人 5 1 用软球方法处理颗粒间的 相互 作用 在二 维气固 流化床上 模拟出了气 泡和 节 涌现象 描述了在气固流化床中 流体对颗粒的 作用力是 l 要的 而 颗粒刚i h 系数对颗粒的碰撞影响是次要的 发现颗粒刚性系数比实际值偏小时 计算 卜 实 际相比 没有出 现太大的分歧 在目 前的数值 模拟中 颗粒刚性系 数是在 计算时间 允 许内 井且 能 够模 拟出 颗粒 实 际 运 动 而 假设 的 b h x u 等 人 f6 1用离 散 粒1 j 西北工业大学硕 t 学位论文 计算流体力学的藕合方法 d p m c f d 模拟了气固流化床中的气泡现象 两 相 间 的d p m c f d祸 合 满足 牛 顿 第 三 定 理 改 正 了t s u j i 等 人 i 1 h o o m a n s 等 人 7 对两相藕合不符合牛顿第三定理的 缺点 尤其用预估一 校正方法建立了 个新的 颗 粒 碰 撞 模型 解 决 了t s u j i 等 人 i51对 颗 粒 的 刚 性系 数 假 设 较 实际 偏 小 的问 题 在气固 流化床中 气固两相祸合的表达式 对模拟有重要影 响 k d k a f u i 等人 i s l 描述了 两相祸合的表 达式不同时 流化床中动态行为有很大差异 并给出了 af 中 确 定 最 小 流 化 速 度的 方 法 徐 军 伟 等 人 19 1在 喷 动流 化 床 中 模 拟了 气l 两 相 流 动 表明基于n e w t o n 定理和n a v i e r s t o k e s 方程的直接数值模拟方法对密相 大颗粒 的气固两相流动的问 题进行模拟时 具有建立的模型简化条 件少 建立 的模1 7 史 接近实验条件 模拟结果更准确的特点 以上 都是对等直径颗粒的 软球模拟 对不 等直径颗粒的软球模拟 袁竹林 研究了 流化床中 人为给定不同 粒径 粒径服从不连续的 f 态分布 分布范围为 7 1 3 m m 相同密度以及相同粒径 不同密度 密度服从不连续的正态分布 分 布 范 围 为1 0 0 0 3 0 0 0 k g m 3 颗 粒的 分 离 特 性 2 3 2硬球方法 硬球方法中 颗粒的碰撞被处理为 瞬时的二元碰撞 如图2 3 所示 图2 3 a 是两个颗粒碰撞前的 运动过程 图2 3 b 是颗粒在碰撞后速度方向的变化 然后 颗粒会各自 走开 颗粒在碰撞过程中不发生变形 且两个颗粒之间的碰 撞满足动 量定理 碰撞后的颗粒速度可以由 碰撞前的 颗粒运动状态 恢复系数及 摩擦系数 确定 由于硬球方法处理的是颗粒二体瞬时碰撞 当搜索最先碰撞的颗粒对时 需要的计算量与 颗粒数的平 方 一 成正比 虽 然近年来计算机硬件的发展非常 迅速 但对于密相多 颗粒系统 计算量还是 很惊人的 为了节 省计算时间 颗粒碰撞搜 索技术是一个关键因素 近年来有许多学者用硬球方法对气固流化床的动态行为进行了研究 井取得 了 很大成就 h o o m a n s等人1 7 j 用硬球方法模拟了 t 固流化床中的鼓泡和节涌现 象 这是首次把硬球方法用十气固流化床 该文中以颗粒ft径的五信作为颗粒碰 撞的搜索范围 在一个小的二维床上用 2 4 0 0 个颗粒模拟了 鼓泡和节涌 现象 表 明 流 体 的 行 为 强 烈 地 依赖 于 恢 复 系 数 o u y a n g 等 人 i川 提出 了 颗 粒网 格搜 索 技术 西北工业大学硕 t 学位论文 计算流体力学的藕合方法 d p m c f d 模拟了气固流化床中的气泡现象 两 相 间 的d p m c f d祸 合 满足 牛 顿 第 三 定 理 改 正 了t s u j i 等 人 i 1 h o o m a n s 等 人 7 对两相藕合不符合牛顿第三定理的 缺点 尤其用预估一 校正方法建立了 个新的 颗 粒 碰 撞 模型 解 决 了t s u j i 等 人 i51对 颗 粒 的 刚 性系 数 假 设 较 实际 偏 小 的问 题 在气固 流化床中 气固两相祸合的表达式 对模拟有重要影 响 k d k a f u i 等人 i s l 描述了 两相祸合的表 达式不同时 流化床中动态行为有很大差异 并给出了 af 中 确 定 最 小 流 化 速 度的 方 法 徐 军 伟 等 人 19 1在 喷 动流 化 床 中 模 拟了 气l 两 相 流 动 表明基于n e w t o n 定理和n a v i e r s t o k e s 方程的直接数值模拟方法对密相 大颗粒 的气固两相流动的问 题进行模拟时 具有建立的模型简化条 件少 建立 的模1 7 史 接近实验条件 模拟结果更准确的特点 以上 都是对等直径颗粒的 软球模拟 对不 等直径颗粒的软球模拟 袁竹林 研究了 流化床中 人为给定不同 粒径 粒径服从不连续的 f 态分布 分布范围为 7 1 3 m m 相同密度以及相同粒径 不同密度 密度服从不连续的正态分布 分 布 范 围 为1 0 0 0 3 0 0 0 k g m 3 颗 粒的 分 离 特 性 2 3 2硬球方法 硬球方法中 颗粒的碰撞被处理为 瞬时的二元碰撞 如图2 3 所示 图2 3 a 是两个颗粒碰撞前的 运动过程 图2 3 b 是颗粒在碰撞后速度方向的变化 然后 颗粒会各自 走开 颗粒在碰撞过程中不发生变形 且两个颗粒之间的碰 撞满足动 量定理 碰撞后的颗粒速度可以由 碰撞前的 颗粒运动状态 恢复系数及 摩擦系数 确定 由于硬球方法处理的是颗粒二体瞬时碰撞 当搜索最先碰撞的颗粒对时 需要的计算量与 颗粒数的平 方 一 成正比 虽 然近年来计算机硬件的发展非常 迅速 但对于密相多 颗粒系统 计算量还是 很惊人的 为了节 省计算时间 颗粒碰撞搜 索技术是一个关键因素 近年来有许多学者用硬球方法对气固流化床的动态行为进行了研究 井取得 了 很大成就 h o o m a n s等人1 7 j 用硬球方法模拟了 t 固流化床中的鼓泡和节涌现 象 这是首次把硬球方法用十气固流化床 该文中以颗粒ft径的五信作为颗粒碰 撞的搜索范围 在一个小的二维床上用 2 4 0 0 个颗粒模拟了 鼓泡和节涌 现象 表 明 流 体 的 行 为 强 烈 地 依赖 于 恢 复 系 数 o u y a n g 等 人 i川 提出 了 颗 粒网 格搜 索 技术 西北工业人学硕 上 学位论文 a r s a b 图2 3硬球方 法中颗粒的泣体瞬时碰撞 把气固两相流中颗粒的运动分解为在流体作用下的悬浮过程和在其它颗粒作fl 下的碰撞过程 并把二维情况下的空隙率转化为三维情况下的空隙率 真实地模 拟了鼓泡和节涌的形成 且该模型比以 前的 离散模型 适用范围更大 在此慕础 卜 o u y a n g 等 人 1 21 的 研 究 表明 分 布 板结 构 恢 复 系 数 表 观 气 速 固 体 流 率 都 会 形 响气固两相流动 h e l l a n d等人 t 3 1 用硬球方法研究了 在气固 循环流化床上团聚物 的形成 描述了空隙率函数不同时 局部流体结构的差别很大 以及碰撞参数 如 弹性恢复系数和摩擦系数 对团聚物的形状和形成有重要影响 并发现山于曳力 函数的非 线性性导致了 流体 运动的不稳定 h e l l a n d 等人 1 4 1 用新的颗粒 碰捧搜索 技术即流体控制体容积一一颗粒控制体容积 f l u i d c o n t r o l v o l u m e p a rt i c l e c o n t r o l v o l u m e 方法进行颗粒间的碰撞搜索 优化了 颗粒碰撞搜索技术 减少 了计算时间 用四向祸合的方法祸合了流化床的几 维气固流动 研究了浅流化床 中的震荡运动以 及在快速流化 床中团聚物的特征 并 讨论了 颗粒间的碰撞 特性对 团聚 物结构和稀相流中气固运动震荡的影响 孙其诚 等人 nil用硬球方 法模拟了 风 沙运动 以上 都是对等直径颗粒的硬球模 拟 近年来对不等直径 颗粒的硬球模拟1 1 6 2 8 如下 在实验研究方面 wu 等人 1 6 1 用实 验方 法在一 个良 径为 3 0 c m有孔分布板的 流化床上进行了密度相同 但直径不同的颗粒混合和分离研究 该文中 给出了h 径 处于不同范围的多种颗粒群 并把直径较大的颗粒群和直径较小的颗粒群进行组 合 用实验方法得出了颗粒的混合和分离规 律 m a t h i e s e n 等人 1 用实验方法在 西北工业大学硕 卜 学位论文 气固流化系统中研究了二组分 一种颗粒直径属于一个组分 两种颗粒的f 径范 围分别是 1 0 0 1 3 0 u m 1 7 5 2 0 5 u m 颗粒的轴向和径向 分离 情况 描述了 颗 粒 在气固两相流中的分布规律 在多组分颗 粒的研究中 y t 合物完全流化的最小 流 化速度的 确定对颗粒分离 效果很重要 黄健榕 1 8 研究了宽筛分粒子在流化床中 的 混合 得到了求二元混合物完全流化的最小流化速度的方法 对于混合物的分离 张济 宇 等 人 19 给出 了 判别 不 等 密 度颗 粒 体 系 混 和 分 离 状 态的 判 断 法则 及确 定 混 合 物空隙 率简易可行的随意松散堆积方法 杨海瑞等人 2 0 研究了c f b锅炉内 炸 密度颗粒的分 层模型 通过实验数据得出了 颗粒分 层参数的经验式 流 化床中 颗 粒 平 均直 径 相 等 但 粒 径分 布可 能 不 同 刘 会 娥 等 人 2 1 1研究了 粒 径分 布 小 同 对 颗 粒混和行为的影响 在数值模拟方面 周浩生等 人 2 2 建 立了宽筛分气固流化床的离散颗粒模型 对宽 筛分流化床中气泡的形成 颗粒的 流化过程进行了数值模拟 模拟结果发 现 单颗粒的运动表现出不可预测性 颗粒的总体速度不完全满足正态分布 袁竹林 与马明 2 3 对 循环流化床中 不同密 度颗粒的分离 进行了 研究 模拟 了 两 种小同 密度 的颗粒 在循环流化床内的 分布 得到了气体 速度不同时 焦炭和煤粉 粒径归分 为1 6 种 在循环流化床内的 分离规律 h o o m a n s 等人 2 4 1 研究了 等密度两种不同 粒径 颗粒群的分离情况 发 现理想状况下 e 1 户0 颗 粒的分离比非理想状态 下 w 粒的 分 离 用 时 短 分 离 效 果 好 y q f e n g 等 人 125 1研 究了 气固 流 化 床中 颗 粒 的双向混合及分离 发现颗粒的混合和分离极大地依赖于表观气速的人小 并 11 颗粒最后的平衡状态和颗粒初始的 填塞 状态无关 d i n e s h g e r a等人 j s u n u n l i m t r a k u l 等人 2 7 1 的 研究也表明了 表观气速对颗粒的分离有重要影n 1h 同时s u n u n l i m t r a k u l 等人1 2 7 1发现了 二组分 颗粒的直径差别越人 密度差 别越大 分离效果 越 好 l u h u ilin 等 人 2 8 1用实 验方 法 和 数 值 模 拟 方 法 研 究了 鼓 泡 流化 床 中 不 同 粒 径颗粒双向混和的行为 并讨论了双组分混合物最小流化速度的定义 2 3 3 d s mc方法 d s mc方法认为颗粒的碰撞具有随机性 用有限个仿真颗粒代替真实颗粒 计 算仿真颗粒的运动 然后再通过统计网格内仿真颗粒的运动状态实现对立实颗 粒运动的模拟 与软球方法和硬球方法相比 该方法 i l一 以计ti r 的颗粒数较人担 西北工业大学硕 卜 学位论文 气固流化系统中研究了二组分 一种颗粒直径属于一个组分 两种颗粒的f 径范 围分别是 1 0 0 1 3 0 u m 1 7 5 2 0 5 u m 颗粒的轴向和径向 分离 情况 描述了 颗 粒 在气固两相流中的分布规律 在多组分颗 粒的研究中 y t 合物完全流化的最小 流 化速度的 确定对颗粒分离 效果很重要 黄健榕 1 8 研究了宽筛分粒子在流化床中 的 混合 得到了求二元混合物完全流化的最小流化速度的方法 对于混合物的分离 张济 宇 等 人 19 给出 了 判别 不 等 密 度颗 粒 体 系 混 和 分 离 状 态的 判 断 法则 及确 定 混 合 物空隙 率简易可行的随意松散堆积方法 杨海瑞等人 2 0 研究了c f b锅炉内 炸 密度颗粒的分 层模型 通过实验数据得出了 颗粒分 层参数的经验式 流 化床中 颗 粒 平 均直 径 相 等 但 粒 径分 布可 能 不 同 刘 会 娥 等 人 2 1 1研究了 粒 径分 布 小 同 对 颗 粒混和行为的影响 在数值模拟方面 周浩生等 人 2 2 建 立了宽筛分气固流化床的离散颗粒模型 对宽 筛分流化床中气泡的形成 颗粒的 流化过程进行了数值模拟 模拟结果发 现 单颗粒的运动表现出不可预测性 颗粒的总体速度不完全满足正态分布 袁竹林 与马明 2 3 对 循环流化床中 不同密 度颗粒的分离 进行了 研究 模拟 了 两 种小同 密度 的颗粒 在循环流化床内的 分布 得到了气体 速度不同时 焦炭和煤粉 粒径归分 为1 6 种 在循环流化床内的 分离规律 h o o m a n s 等人 2 4 1 研究了 等密度两种不同 粒径 颗粒群的分离情况 发 现理想状况下 e 1 户0 颗 粒的分离比非理想状态 下 w 粒的 分 离 用 时 短 分 离 效 果 好 y q f e n g 等 人 125 1研 究了 气固 流 化 床中 颗 粒 的双向混合及分离 发现颗粒的混合和分离极大地依赖于表观气速的人小 并 11 颗粒最后的平衡状态和颗粒初始的 填塞 状态无关 d i n e s h g e r a等人 j s u n u n l i m t r a k u l 等人 2 7 1 的 研究也表明了 表观气速对颗粒的分离有重要影n 1h 同时s u n u n l i m t r a k u l 等人1 2 7 1发现了 二组分 颗粒的直径差别越人 密度差 别越大 分离效果 越 好 l u h u ili