湍流气固两相流体力学.ppt

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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排放规律气固两相流动力平衡关系守恒

2、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

3、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S0.53）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0.0 0.1 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.21.00.80.60.40.20.0r/R1.00.80.60.40.20.00.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 0.1 0.2r/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/

4、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：0es0.3，bmin 在 es=0.1，环核交界处 缺陷：受制于实验条件，无普 适性(Ns/m4)颗粒体积分数es模

5、型1模型2模型3模型4欧拉方法暨“双流体”模型曳力曳力（Drag）颗粒相应力脉动团聚壁面滑移质量守恒动量守恒气相质量守恒湍流动量守恒动量守恒方程时间项 对流项 静压项 扩散项 重力相互作用项用于单个孤立颗粒-用于多颗粒系统；-经验常数，多来自于液固床，无普适性 守恒方程组没有完全封闭曳力函数综上所述曳力是颗粒运动的根本驱动力；曳力模型是准确描述稠密气固两相流动的关键；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

6、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 C F D 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

7、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 b bGs(kg/m2s)98147Gs 非 均 匀 流 动团聚效应修正(Ns/m4)算例1颗粒FCCds =76 mmGs=489 kg/m2ses =0.6rs=1712 kg/m3算例20.1m0.1m14.2m0.2mUg=5.2 m/s颗粒FCCds=74 mmGs=53kg/m2/ses=0.4rs=1770 kg/m30.

8、15 m0.05m0.5 m3m0.05 mxyU0=4 m/s与流化床实验结果对比0.41e-6es颗粒回送床内颗粒浓度的不均匀分布随时间的变化15.0 s15.1 st=14.9 stime average算例1压降 (X103 Pa/m)新模型经验模型0 2 4 6 8床高(m)颗粒体积分数1.5 m2.3 mx(m)0.7 m新模型0 0.05 0.1 0.15x(m)经验模型算例1不同高度上颗粒浓度径向分布比较床高(m)压降 (X103 Pa/m)算例211.5 m3.9 m颗粒体积分数半径/m8.1 m系统能量消耗Nst颗粒团体积分数 ec1086420从模型中可获得：颗粒团尺寸、能量消耗等均匀分布非均匀分布例如：Nst随ec增大而增大，说明为了实现均匀分布，要求系统消耗能量，反使系统处于不稳定状态最小能量要求颗粒有成团的趋势趋于最小能量更多信息结论气固曳力是循环流化床气固两相流动的关键参数；并受颗粒团聚效应的显著影响；现有经验模型不具备普遍适用性。提出CFD与系统能量分析的统一理论方法，研究局部非均匀流场，建立了新型气固曳力理论模型。曳力本身和用新模型计算出的稠密气固两相流动参数均与实验吻合。未引入经验系数，新模型具有普遍适用性。所介绍的研究成果均具有我国自主知识产权，为我重点实验室学者首次提出和发展，大部获得国际承认和应用。