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流态化系统是典型的非平衡系统,呈现出时空多尺度结构。因此,描述该体系的模型必然应符合多尺度思想。能量最小多尺度(EMMS)模型考虑了系统的非均匀结构特性,能够较好地描述稀、密两相流中非均匀流动结构的时均行为特征,在气固循环流态化中得到广泛的应用。建立EMMS模型时,为了能够封闭求解,引入了系统的稳定性条件,即流体用于悬浮和输送单位质量固体颗粒消耗的能量最小的假设。本文的主要研究目标是利用高可信度的数值方法对这一稳定性条件进行验证,并深入探讨了非均匀结构形成的机理。
第1章综述了散式流态化和聚式流态化判据方面的研究成果,以及流态化数值模拟领域的主要方法,分析了采用数值模拟方法研究流态化机理问题的必要性和可行性。简要回顾了散式流态化和聚式流态化统一问题的研究工作。
第2章详细介绍了本论文所采用的数值计算方法—时驱硬球格子玻尔兹曼(TDHS-LBM)方法,包括流场求解、颗粒运动处理以及流固耦合方式,并对该方法进行了数值验证,验证了其合理性和有效性。
第3章阐明了EMMS模型的物理模型和计算框架。鉴于采用原始EMMS模型在处理能耗分解问题上的难度,本论文采用从EMMS模型上发展起来并适用于鼓泡床体系的EMMS/bubbling模型进行能耗分解。提出了能耗量化方法,为稳定性条件的验证奠定了基础。
第4章对散式流态化和聚式流态化体系进行了数值模拟,成功复现了两类流态化体系中的典型现象。通过对流态化系统中能量耗散的统计,发现EMMS模型稳定性条件在散式流态化和聚式流态化中均适用。进一步分析发现,聚式流态化中Nst/NT→min的值远小于散式流态化中的值,并且聚式流态化比散式流态化更快地达到动态稳定的状态,这一点可以作为散式流态化和聚式流态化的判据。
最后,第5章对本论文进行了总结并对未来工作进行了展望。