鼓泡流化床中氣固兩相流的格子氣元胞自動(dòng)機(jī)模擬研究.pdf

1、鼓泡流化床是流態(tài)化煉鐵工藝中的預(yù)還原反應(yīng)器，其中的氣固兩相流問題是反應(yīng)器設(shè)計(jì)、放大和操作中的核心問題和難點(diǎn)所在。由于氣固兩相之間復(fù)雜的非線性相互作用，對(duì)鼓泡流化床中的典型流動(dòng)規(guī)律如氣泡動(dòng)力學(xué)、氣固相間的耦合關(guān)系等的認(rèn)識(shí)還不充分，阻礙了鼓泡流化床反應(yīng)器的應(yīng)用和工藝發(fā)展。針對(duì)這種狀況，本文以格子氣元胞自動(dòng)機(jī)方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建了氣固兩相流模型，對(duì)鼓泡流化床中的氣泡現(xiàn)象開展了模擬研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)氣固相間耦合機(jī)理進(jìn)行了嘗試性改進(jìn)，并在單顆粒上進(jìn)行

2、了驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于格子氣元胞自動(dòng)機(jī)方法的氣固兩相流模型是一種介尺度模型，模型物理量與真實(shí)物理量之間的轉(zhuǎn)換是這類模型構(gòu)建和應(yīng)用的基礎(chǔ)。為此，基于相似原理，通過黏度、聲速、密度等限制關(guān)系得到基本物理量（長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量）的轉(zhuǎn)換關(guān)系，再利用量綱分析獲得導(dǎo)出物理量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以管道中的單相流和鼓泡流化床中的氣固兩相流數(shù)值算例為對(duì)象，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換關(guān)系的合理性。⑵氣固兩相流模型包含三個(gè)部分：氣相、固相（顆粒流）和氣固相間耦

3、合作用。氣相模型在的格子氣元胞自動(dòng)機(jī)模型基礎(chǔ)上，附加了表征氣體與固體之間表面張力的引力規(guī)則；固相模型則增加了表征顆粒重力和耗散特征的格子氣元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則，并在移動(dòng)床中心卸料問題上對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；為簡(jiǎn)化稠密顆粒體系中氣固相間作用的計(jì)算，采用相同尺度劃分氣、固相的空間網(wǎng)格，并直接以異相粒子間的動(dòng)量交換替代復(fù)雜的相間耦合。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了氣固兩相流的格子氣元胞自動(dòng)機(jī)模型。⑶應(yīng)用所構(gòu)建的氣固兩相流模型對(duì)單噴嘴和分布板兩種典型鼓泡床中的氣

4、泡現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明：所建模型能定性表達(dá)氣泡產(chǎn)生和上升過程，量化得到的氣泡當(dāng)量直徑與實(shí)驗(yàn)和其他方法所獲得的結(jié)果具有相同的規(guī)律，但隨著氣泡的上升，氣泡內(nèi)部彌散的固體顆粒增多、氣泡輪廓不易辨識(shí)，而且床層的膨脹也過大，這些缺陷與固體顆粒的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，且直接受氣固相間耦合精度控制。本文嘗試著改進(jìn)這些缺陷，將固體顆粒邊界投影到氣體網(wǎng)格上，并設(shè)計(jì)了一種概率反彈的氣固耦合作用模型，即運(yùn)動(dòng)到顆粒邊界的氣體粒子以一定概率發(fā)生反彈，期間氣體粒子傳遞