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提升管内气固两相流模拟:基于EMMS理论的连续介质模型; EMMS-based continuum modeling of heterogeneous gas-solid flow in CFB risers
周泉
学位类型博士
导师王军武 ; 李静海
2015-05
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工程
关键词介尺度 流化床 多相流 稳定性条件 连续介质模型
摘要提升管反应器广泛运用于石油催化裂化,煤炭燃烧,生物质燃烧等现代化工和能源过程。然而提升管反应器内动态时空多尺度非均匀结构的存在,使得气固两相流动的机理研究还不能满足提升管反应器放大以及优化设计的需要。受制于实验技术发展的局限性,颗粒在反应器内的运动规律还不十分清楚。随着计算机技术以及数值方法的快速发展,基于计算流体力学的数值模拟方法越来越受到研究者的重视,已经成为气固两相流动研究的主要方法之一。 目前,连续介质模型(continuum model, CM)在工业中有广泛地应用。由于提升管反应器中动态时空多尺度非均匀结构的存在,用连续介质模型模拟实际工业反应器时必须考虑网格内非均匀结构的影响。现在常用的方法之一是基于能量最小多尺度(Energy Minimization Multi-scale, EMMS)理论的连续介质模型,一般有两种实现方式:(i) 用考虑结构的EMMS曳力模型来修改现有连续介质模型中基于平均化假设的曳力,从而达到考虑非均匀结构对流动影响的目的,这一方法我们简称为CM+EMMS方法;(ii) 本论文建立的稳约双流体模型。该模型是把稀相和密相分别看成是连续介质模型中相互渗透的两个流体。它可以看成是基于EMMS理论的连续介质模型的第二种实现方式。 本论文同时对CM+EMMS方法(第二到四章)和稳约双流体模型(第五、六章)这两种基于EMMS理论的连续介质模型开展研究。第二到四章是在CM+EMMS方法的框架内分别对微观均匀曳力关联式(它在EMMS曳力模型中是经验输入参数)的影响、A类EMMS曳力模型的建立以及双组份EMMS曳力模型的建立进行阐述和讨论;第五和第六章则是推导并建立稳约双流体模型以及完成它的验证;最后在第七章比较两种实现方式的适用范围和优缺点。结论如下: (i)虽然EMMS曳力模型在不同微观均匀曳力关联式下所预测的非均匀结构因子有较大的差别,但是与连续介质模型耦合后,都能得到合理的轴径向颗粒浓度分布,说明CM+EMMS方法对微观均匀曳力关连式不敏感,显示了EMMS曳力模型的优越性。 (ii)基于A类连续介质模型的EMMS曳力与CFD耦合后与以往CM+EMMS方法的模拟结果基本一样。说明现有CM+EMMS方法在预测得到有效曳力后再转化成与A类连续介质模型相匹配的曳力系数的方法是可行的。 (iii)模拟结果发现,双组份EMMS曳力模型能较好地预测提升管反应器内的混合和偏析行为,从而拓展了EMMS曳力模型在多组分气固系统中的应用。 (iv)通过模拟低通量和高通量提升管反应器,初步验证了稳约双流体模型的合理性。 (v)大量模拟结果表明两种实现方式的模拟结果基本类似并与实验结果吻合,且都能捕捉到提升管内气固流动的非均匀本质特征,说明基于EMMS理论的连续介质模型的合理性。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20329
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
周泉. 提升管内气固两相流模拟:基于EMMS理论的连续介质模型, EMMS-based continuum modeling of heterogeneous gas-solid flow in CFB risers[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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