细长颗粒流化特性的数值模拟研究

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1、东南大学博士学位论文细长颗粒流化特性的数值模拟研究姓名：蔡杰申请学位级别：博士专业：工程热物理指导教师：袁竹林20080915摘要研究考虑颗粒间相互作用条件下气固两相流场中细长颗粒的流化特性，为细长颗粒的流化应用提供理论指导。本文根据刚体碰撞动力学原理，推导建立细长颗粒间相互作用三维模型，根据硬球模型的思想，将Nanbu碰撞概率模型进行合理修正，以适用于细长颗粒碰撞发生判断，再结合细长颗粒的受力、运动模型及格子Boltzmann方法，从而建立含颗粒间相互作用的细长颗粒流化运动三维模型。基于此模型研

2、究探讨了考虑颗粒间相互作用条件下细长颗粒的浓度分布、取向分布等流化特性。模拟结果得到实验验证。研究发现，考虑颗粒间相互作用条件下的细长颗粒流化特性与稀相条件下的细长颗粒流化特性有很多不同。考虑颗粒间相互作用条件下，由于颗粒间相互作用的影响，流场中细长颗粒的数量浓度分布非常不均匀；不同床高区域的细长颗粒径向数量浓度分布变化较大；近壁区域的细长颗粒数量浓度大于径向中心区域的数量浓度。受颗粒间相互作用影响，细长颗粒取向分布的选择性较稀相条件下的有所削弱，但仍以近于竖直姿态流化运动的细长颗粒的数量百分比占

3、明显优势；随着长径比的增加及颗粒量的增加，以近于竖直姿态流化运动的细长颗粒的数量百分比逐渐减小，但细长颗粒取向分布随床内位置及流化风速的变化规律没有改变；细长颗粒的流化风速范围较小。研究流化床中惰性物质的级配分布特性，为研究细长颗粒和惰性物质的混合流化特性提供参数依据。本文采用硬球模型建立惰性物质流化运动模型，基于此模型研究了惰性物质的级配分布特性。研究发现，流化风速对密相区的高度影响较大，而级配对密相区的高度没有明显影响：当级配中大粒径颗粒份额比小粒径颗粒份额大很多时，床体内悬浮段颗粒数量浓度会

4、产生比较明显的下降；充分流化的颗粒的数量密度比趋于与原始级配一致。研究空气．惰性物质．细长颗粒三相流场中细长颗粒的流化特性，为细长颗粒和惰性物质的混合流化应用提供理论指导。本文将空气和惰性物质都视为连续相，采用欧拉．欧拉模型进行计算，而将细长颗粒视为离散相，采用拉格朗日方法进行跟踪计算，从而建立固相分相流化运动模型。研究发现，三相流场中，细长颗粒的取向分布特性与考虑颗粒间相互作用条件下两相流中的细长颗粒取向分布特性相似。细长颗粒的轴向数量浓度分布与两相流场中细长颗粒的轴向数量浓度分布相似。径向数量

5、浓度分布总体分布走势与两相流场中的情况相似，但三相流场中径向中心区域的细长颗粒数量浓度略大于两相流中径向中心区域的颗粒数量浓度。关键词：细长颗粒；流化特性；流化运动模型；壁面约束；颗粒问相互作用；固相分相模型．AbstractThefluidizationofslenderparticlesiswidelyusedinindustry,suchasbiomassstrawfluidizedbedcombustion,dryingorwettingofcuttobaccoinfluidizedbed

6、，coatingofmedicinesinfluidized，etc．Thesolid-phaseisgenerallyabstractedasasphericalparticleingas—solidtwo-phaseflowresearcharea．The钮TOrsinducedbythatapproachisacceptableinsomeprojects，butitisunacceptableinmanycases．Havingbothpositionparametersandattitu

7、deparameters，thefluidizationbehaviorsofslenderparticlesevidentlydiffersfromthoseofsphericalparticles．Now,thestudyonfluidizationbehaviorsofslenderparticlesisonlyatstartingstage，andtherearesomanyproblemsneedtobesloved．Inthepaper,thefluidizationbehaviors

8、ofslenderparticleswerestudiedbyusingtheorymodeling，simulationandexperiment．ThefluidizationbehaviorsofslenderparticlesincludeorientationdistributionandconcentrationdistributionandSOon．Thepaperconsistsofseveralpartsasfollowing：Inordertovalidatet