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气固流化床是典型的非线性非平衡系统,呈现出复杂的时空多尺度结构。其中,气泡和团聚物是以颗粒聚集(乳化相,密相)和气体聚集(气泡相,稀相)共存为代表的两种典型多尺度结构。已有研究结果表明,耦合了基于团聚物的能量最小多尺度(EMMS)模型的双流体模拟可以准确地捕捉循环流化床内流动结构,但其中团聚物直径还存在误差,考虑到气泡关联式较成熟,能否建立基于气泡的EMMS模型呢？本研究主要内容包括：
⑴讨论了不采用介尺度结构模型,而直接通过双流体模型(7FM)细网格模拟的情况。研究发现,对于A类颗粒,鼓泡流化床中,随着网格宽度的减小,膨胀高度降低,细网格模拟达到网格无关的值接近于实验数据；流化气速越高(如:湍动流化床和快速流化床),达到网格无关时的网格宽度越大,但此时细网格模拟结果与实验值相差甚远,且无法捕捉S型分布。对于B、D类颗粒,结果显示,网格细化可以预测鼓泡流化床的膨胀高度,但是,当前的计算能力无法达到工业规模反应器的计算要求。
⑵提出了气固鼓泡流化床中基于EMMS方法的EMMS/bubbling稳态模型,模型中以气泡代替原始EMMS模型中的团聚物作为介尺度结构,相应地,鼓泡流化床分为三个子相:乳化相、气泡相和相间相,以及相关的悬浮和耗散能量子系统,悬浮颗粒所消耗的能量趋于最小(Ns→min)的稳定性条件被用来封闭基于子相的动力学方程。初步计算结果显示,与文献中实验数据吻合。
⑶把EMMS/bubbling稳态模型扩展到非稳状态,并用来改进传统双流体模型中的曳力系数。结果发现:相比较传统的基于平均方法的曳力系数,耦合了EMMS/bubbling曳力系数的TFM模型允许用更粗网格,且准确性大大改善。
⑷将耦合了EMMS/bubbling模型的多流体模型(MFM)用于灰熔聚流化床气化炉模拟。连续性排料反应器模拟结果捕捉到了气化炉的主要特征,定性上预测了煤气化反应器的热态流动现象。最后总结了本论文获得的主要结论,展望了EMMS/bubbling模型前景以及进一步开展的研究方向。