湍流气固两相流体力学

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1、湍流气固两相流体力学——理论与数值模拟祁海鹰清华大学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室北京2003.3.5主题气固两相湍流模型流化床曳力理论模型数值模拟概述气液固气液两相流动——锅炉汽水循环气固两相流动——沙尘暴固液两相流动——泥石流流体力学发展……沙尘暴沙漠迁移锅炉炉膛内煤粉燃烧鼓泡流化床反应器循环流化床烟气脱硫装置稀疏稠密湍流效应——流动非稳定性，影响-流动-燃烧-污染物形成气固相互作用流动极其复杂概述概述预测提供应用依据寻求流动规律合理描述模型数值模拟深化认识气固两相湍流模型目的：正确描述两相湍流相互作用；合理预测燃烧过程和污染物NOx排

2、放规律气固两相流动力平衡关系——守恒方程组(基于牛顿第二定律)tV湍流：……瞬时平均脉动未知关联项湍流模型在认识物理本质的基础上发展出的求解方法：湍流模型系列K-e-Kp模型——气相湍流动能-耗散-固相湍流动能二阶矩模型——用更高阶的守恒方程描写和求解未知关联项。早于欧洲统一二阶矩输运方程模型USM——各种不同的关联项用统一形式描述USM＋气相湍流IPCM压力应变项封闭——改进气相湍流模拟的精度USM拉氏改进模型——引入Lagrange概念分析颗粒惯性等作用USM＋颗粒-壁面作用模型——计入壁面粗糙度的影响，提高颗粒雷诺应力预测精度两相双尺度耗

3、散USM模型——在湍流耗散项中引入2个湍流时间尺度，可根据实际流动变动非线性NKP两相湍流代数模型——改进预测精度，存贮和计算量锐减，工程应用○实验——二阶矩模型(IPCM)GL……IPCM＋壁面效应图：旋转射流轴向速度分布（旋流数S＝0.53）▲实验——NKP模型USM模型……KP模型颗粒相的轴向（上）和径向（下）脉动速度分布0.00.10.00.10.20.00.10.20.00.10.21.00.80.60.40.20.0r/R1.00.80.60.40.20.00.00.10.20.00.10.20.00.10.20.00.10.2r/

4、R2D矩形液柱模拟平均垂直速度分布(cm/s)（液相）（气泡相）1100液体9个进气喷嘴11.248.2液相湍流动能(cm2/s2)气泡体积分数流化床曳力理论模型曳力——流体对颗粒的拖拽力，气固两相相互作用FD0FD根本原因——强烈的非均匀效应浓相稀相气流现状：国际上迄今为止未取得突破（2002年）曳力不准导致的计算结果局部非均匀性——聚团流动典型的非均匀流动内循环稀相区外循环密相区整体非均匀性——上下和径向局部非均匀性——颗粒团聚，曳力↓，颗粒可在高速气流中停留！计算域气固速度滑移：Urel=Ug-Us，最大发生在环核交界处现有曳力模型大多适

5、于均匀流动。团聚效应（实验）模型4——唯一可计及团聚效应的经验模型团聚效应区：0

6、曳力问题背后的机理：均匀与非均匀流动的差别；非均匀流动的根本原因：颗粒团聚。研究目标发展新曳力模型-计及团聚效应；-消除经验系数影响：模型普适性；-真正封闭动量方程研究思路实验方法：气固困难探索：计算流体力学(CFD)+最小能量原理！分析非均匀流动特性采用理论方法合理描述曳力最小能量原理一种独立的能量分析理论分析流体夹带颗粒运动和做功过程发现系统越不均匀，系统能耗越小存在极小值反之，为使流动达到均匀状态，系统能耗最甚，熵增该理论亦可给出流动、浓度和能量的参数分布单纯欧拉方法＋CFD不成功局部非均匀流动状态曳力描述(补充新定解条件：当地流动稳

7、定性条件)最小能量原理最小能量原理的方法——流动分解任一网格内的Vg,Vs(Vg,Vs)den(Vg,Vs)dil(Vg,Vs)int颗粒稀相颗粒密相相互作用相气固曳力理论模型欧拉方法＋CFD最小能量原理数据交换流动信息分析依据非均匀流动分解局部均匀流动局部均匀流动局部均匀流动采用现有均匀流曳力模型满足新约束条件：局部能量耗散最小方程组封闭曳力Fall=Fdil+Fden+Fint叠加实验检验检验如下参数的影响颗粒质量流率Gs颗粒直径ds气固滑移速度Vrel颗粒密度rs颗粒体积分数es均匀流动气固阻力函数bGs(kg/m2s)98147Gs↑

8、非均匀流动团聚效应修正(Ns/m4)算例1颗粒FCCds=76mmGs=489kg/m2ses=0.6rs=1712kg/m3算例20.1m0.1m1