（工程热物理专业论文）流化床内高浓度气固多相流动和燃烧的数值试验研究.pdf

堑兰奎兰堡圭兰堡篁兰 ! ! 翼 摘要 本文主要对高浓度气固两相流和电站锅炉中的循环流化床和w 炉内的燃烧和 污染物排放过程进行了较为详细的数值模拟研究。 在对高浓度气固两相流的研究中，成功的运用双流体模型对两维和三维垂直 立管段进行了研究，揭示了垂直立管内的高浓度气固流动的颗粒碰撞以及气相和 颗粒相的相互影响的一些规律。随后研究了鼓泡床内的气泡运动变化规律，分别 模拟了单个气泡和连续气泡的生成、生长、破裂以及合并等的行为特性并且和实 验数据进行了对照，取得了较好的结果。接着运用颗粒相直接模拟思想，大胆地 鞣和了国内外学者关于软颗粒、硬颗粒模型对颗粒碰撞计算的不同方法，分别用 软、硬颗粒模型计算了不同的例子。 在对高浓度气固两相流动的系统研究基础上，针对我们热能所研制开发的 7 5 t h 循环流化床熟电气三联供装置，首次对于流化床燃烧炉内的燃烧和污染物 排放进行了较全面的数值模拟，得出了炉内的流场、颗粒轨迹场、温度场和组份 场，研究了煤粉燃烧特性和氮氧化物的排放特性以及影响它们的因素。 最后，对国内外正日益广泛采用的另一种低污染高效燃烧技术一w 炉燃烧的 煤粉燃烧特性和污染物排放也进行了较深入的研究，所得到的结论希望可以对w 型锅炉性能的设计、运行有所参考。 本文的工作是对高浓度气固多相流研究和流化床和w 炉燃烧技术研究的尝 试，所取得的结果表明数值试验方法在预测和验证工程流动、燃烧问题方面的准 确性和有效性。 关键词：高浓度气固两相流；颗粒相直接模拟；流化床燃烧模拟：w 炉燃烧 本文研究受下列项目资助： 国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 项目) ( n o g 1 9 9 9 0 2 2 2 ) 国家自然科学基金资助项目( n o 2 9 8 7 6 0 3 4 ) 堑堑奎耋堡圭耋篁篁圣 ：垒! ：塑! a b s t r a c t t h ew o r ki sm a i n l yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d e n s eg a s s o l i dt w op h a s ef l o w a n dt h ec o m b u s t i o na n dp o l l u t a n te m i s s i o np r o c e s s e so fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e da n d w - s h a p e d f u r n a c e a p p l i e db yp o w e rp l a n t w e s u c c e s s f u l l ya p p l y t h et w o f l u i dm o d e l ( t f m ) t ot h es t u d yo f t w od i m e n s i o n a l a n dt h r e ed i m e n s i o n a ld e n s eg a s s o l i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o ws o m e r u l e so nt h ep a r t i c l ec o l l i s i o n sa n d g 滞c l ei n t e r a c t i v ei n f l u e n c eo ft h ev e r t i c a l u p w a r dp i p e a n da l s ow es t u d yt h eb u b b l e f l o wb e h a v i o ro ft h eb u b b l i n gf l u i d i z e d b e d t h es i n g l eb u b b l ea n dc o n t i n u o u sb u b b l ef o r m a t i o n ，r i s e ，b r e a ka n dc o a l e s c e c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e ds e p a r a t e l ya n dc o m p a r e d 、i t i lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a i t s k o w sg o o dc o n s i s t e n c y t h e nw ea p p l yt h ea p p r o a c ho fd i r e c tp a r t i c l es i m u l a t i o n ( d p s ) t ot h es i m u l a t i o no f s o f ts p h e r em o d e la n dh a r ds p h e r em o d e lb yi n n o v a t i v e l y c o m b i n i n gt h ed i f f e r e n tm e t h o do f d e a l i n g t h ep a r t i c l ec o l l i s i o na l g o r i t h mo f h a r da n d s o f ts p h e r em o d e l w ea l s oc a l c u l a t et h ed i f f e r e n tc a s e sw i t ht h et w o a p p r o a c h e s o nt h eb a s eo ft h es t u d yo fd e n s eg a s s o l i df l o w , w em a k ef u l l - s c a l en u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h ec o m b u s t i o na n d p o l l u t a n te m i s s i o np r o c e s s e so f t h e 7 5 t hc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d ( c f b ) w h i c hi sd e v e l o p e db yo u ri n s t i t u t e w ed r a wt h ec o n c l u s i o no n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o w f i e l d ，p a r t i c l et r a c k ，t e m p e r a t u r ep r o f i l e s a n d s p e c i e s p r o f i l e s w ea l s os t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a lc o m b u s t i o na n dn o xf o r m a t i o na n d t 1 1 ei n t e r a c t i v ei n f l u e n c eb e t w e e nt h e m f i n a l l y , w es t u d yo n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a lc o m b u s t i o na n dn o xf o r m a t i o no f w - s h a p e df u r n a c e n i san e w l y d e v e l o p e d l o w p o l l u t a n t e m i s s i o n a n d 咄出 p e r f o r m a n c ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g y w eh o p eo u rc o n c l u s i o n sm a y b eh e l p f u lo nt h e d e s i g na n do p e r a t i o n o f t h e w - s h a p e d f u r n a c e o u rw o r ki so n l ya l la t t e m p ta b o u tt h es t u d yo nt h ed e n s eg a s s o l i df l o wa n d c o m b u s t i o n t e c h n i q u eo f c f ba n dw - s h a p e df u r n a c e t h er e s u l t st e s t i f yt h ea c c u r a c y a n d e f f i c i e n c yo f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ( o r c o m p u t e r a i d e dt e s tm e t h o d ) o nt h e p r e d i c t i o na n d v a l i d a t i o no f t h e e n g i n e e r i n gf l o w a n dc o m b u s t i o n p r o b l e m s k e y w o r d s ：d e n s eg a s s o l i df l o w ；t w o - f l u i dm o d e l ；d i r e c tp a r t i c l es i m u l a t i o n ；c f b c b m b u s t i o n ；w - s h a p e d f u l n a c ec o m b u s t i o n i i 堑垒奎兰竺圭兰堡篁苎 茎三兰 第一章绪论 电力工业是我国国民经济的基础，同时它又是一个门类齐全涉及到很多领域 的行业。在电力工业中的发电行业，我国目前主要以火力发电为主。我国是产煤 大国，煤炭资源非常丰富，但也存在煤种品位高低不等现象，所以在燃烧煤粉为 主的火力发电行业中存在许多急需解决的研究课题。这些课题涉及到工程流动、 传热、燃烧、磨损和污染物的排放等各方面。本文将主要对高浓度气固两相流和 电站锅炉中的循环流化床和w 炉内的燃烧和污染物排放过程进行研究。 气固两相流是一个只有几十年发展历史的新兴学科，但它在许多工程技术领 域都有着重要的作用，发展速度很快，如在采矿工业中煤炭的洗选，矿石的预加 工预处理，建材工业中的水泥窑，环保工业中的除尘设备，化学工业中的填料塔 及流化床反应器中都存在着大量的气固两相流问题。在电力工业中的应用更广， 煤粉的制备，干燥，输送及风粉混合和分离过程流化床燃烧技术中煤的流化过程 及流化方式均是气固两相流的重要研究课题。 目前，气固多相流的相关技术已渗透到许多工业部门，并且往往成为设备的 安全经济运行。开发新的工艺，研制新型气固输送、分离、燃烧等设备的关键技 术。过去与气固流动有关的计算、设计大多停留在经验为主的水平上。现在随着 测试技术和数值计算方法的迅速发展，气固多相流的研究达到了一个新的水平， 成为国际上的学术前沿领域，同时也是我国国民经济急待解决的课题。 对于气固多相流的分类国内外尚无统一的分类方式，一般可以根据组份特性、 应用领域、空气动力学特征等方式分类。 按照两相组份浓度可以分为低浓度和高浓度多相流。这种分类方式是以颗粒 相在气相中含量多少来划分的，但并无一个绝对的标准。同样的颗粒含量，在一 种情况下可以是稀相，在另一种情况下就可能是浓相。气固多相流中的颗粒是靠 气相携带而运动的，因此气相的性质可以说决定了颗粒的运动特性，而颗粒相对 气相的影响却有大小之分。一般说来，低浓度气固两相流中颗粒的存在对气相的 影响很小，颗粒的运动规律基本与气相一致。如果颗粒相浓度比较大，以至于它 对气相的影响不能忽略，即可称为高浓度多相流。对此，笔者在第二章推导了工 程上高浓度和低浓度多相流的判据。 按照反应装置的空气动力分类。一般有四种主要的空气动力形式：固定床、 流化床、旋风室和悬浮床四类。在固定床中颗粒放在炉排上不动而气流从其间隙 中绕流而过；在流化床中空气和颗粒作同向或异向的上下翻滚流动，对于鼓泡流 化床，在颗粒相之间还出现气泡流动，这些流动多属浓相流动：在旋风室中，颗 第一章 粒和气相在高速旋转下完成反应或分离过程，在壁面处颗粒不断碰撞，形成复杂 的多相流动：在悬浮床中，气体和颗粒一起流动穿过炉窑和反应器，此时颗粒和 气相的滑移速度不大，和主流运动方向大体相同，多属于稀相流动。 按照典型的射流空气动力学分类可以分为自由射流、绕钝体的多相射流、多 相旋转射流、受限射流四种形式。通常复杂的多相流动过程可以分解成几种典型 的射流后加以合成，实际的工程流动中，流动过程往往由上述四种基本形式组合 而成。 本文在对高浓度气固流动特性的研究之外，还重点对电站锅炉常用的流化床 燃烧和w 型煤粉炉的燃烧和污染物排放特性作了研究。 流化床燃烧具有对燃料适应性好，有害气体排放量低等优点，自它问世以来 在世界各主要工业化国家得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、 窑炉和焚烧各种废物、烧水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层燃 燃烧与煤粉燃烧之间的种燃烧方式。层燃燃烧燃烧效率低；煤粉燃烧燃烧效率 高，但气体污染排放物多。流化床燃烧则克服二者的某些缺点，保留了它们的优 点，是一种很有竞争力和优势的洁净燃烧技术。专家们估计，下一个世纪将是流 化床燃烧在大型电站锅炉、工业锅炉和各种废物焚烧炉等方面得到广泛应用的世 纪。 在我国，煤炭资源的分布和质量差异随地区变化大。南方劣质煤居多。北方 累积的煤矸石达l o 一1 2 亿吨，并以年增1 亿吨的数量增加。原煤入选率将不断 提高，洗煤泥越来越多。除煤以外的其它低热值燃料也很丰富。发展流化床燃烧 技术，因地制宜地利用这些劣质燃料无疑有十分重要的意义。 我国煤炭产量的大约2 5 是含硫超过2 的高硫煤。s d ，排放总量的9 0 ， 大约年排放量5 0 0 万吨来自于煤的燃烧。0 ，排放总量的7 0 ，大约年排放量 2 7 0 万吨来自于煤的燃烧。c o ，总排故量的8 5 ，年排放量6 0 0 万吨来自于煤的 燃烧，仅次于美国，占世界第二位。因此发展低污染、低成本的燃烧技术，无疑 对保护生态环境有重要作用。流化床燃烧具有在燃烧过程中脱硫、脱氮的优点， 因此极有希望成为一种环保意义上的“绿色”燃烧技术。笔者在本文中要研究的 流化床和w 炉内的煤燃烧特性和污染物排放过程正是为了探讨这种燃烧方式的 优缺点及其对环保的影响。 w 型火焰锅炉最早是由美国f w 公司提出，目前已经被世界许多国家及公司 采用投入电厂运行，它特别适合燃烧低灰熔点，低灰分，低挥发分的无烟煤，可 以使煤粉颗粒及时的着火，具有稳燃性和炉膛火焰充满度较好，负荷调节范围大， 煤种适应性强和污染物排放低等特点。正因如此，我国也已经有越来越多的电厂 开始装备w 型炉，国内很多高校和科研机构也开展了这方面的研究。本文通过 浙江大学博士学位论文 第章 对w 炉内的煤粉燃烧特性和污染物排放特性的数值研究，得出了一些结论，试 图对w 炉的设计和运行提供一些有用的参考。 整个论文体系围绕能源领域的流动、传热和燃烧而论述，研究流动是基础， 工程气固多相流以其复杂性而至今仍没有被研究透彻。本文着重研究的浓相气固 流动是电站滚化床锅炉、煤粉输送和燃烧的基础，在对浓相的系统研究基础上， 本文模拟了流化床内的煤粉燃烧和污染物排放特性，同时对国内外正日益广泛采 用的w 炉燃烧的煤粉燃烧特性和污染物排放也进行了较深入的研究。 丝三兰 兰堡耄堡堡堡窒竺兰 第二章气固多相流研究综述 1 前言 多相流动是自然界和工业过程( 特别是在机械、能源、化工、冶金、环保、 石油、轻工等领域) 中普遍存在的一种基本物理现象，它有着极其广泛的应用背 景，有着大量国民经济所急待解决的课题。 长期以来多相流动、特别是高浓度的气固多相流过程一直被认为是一个很难 用数学手段和精确的实验来表达和处理的学科领域。无论是在理论模型、数值计 算或试验方面，目前国内外均还缺乏深入细致的探讨和研究。尽管如此，国内外 相当多的学者，研究人员投入大量人力，物力对该领域进行了大量研究，此领域 成为国际科学研究的一大热点。 工程气固多相流动是多相流动中的一个主要研究方向。近2 0 年来，国内外 许多研究者对气固多相流动特性进行了广泛的实验研究和理论研究，取得了一定 的成果。但是，由于影响气固多相流动的因素很复杂，又涉及到流体力学、热力 学、传热传质学、燃烧学和流变学等许多相关的基础学科，故迄今为止气固多相 流动的内在规律，特别是气固多相流动中气相和颗粒相( 高浓度颗粒相) 之间的湍 流相互作用等问题，仍远未被人们所了解，气固多相流动中许多重要的关键问题 的基础研究工作仍有待于进一步研究。对气固多相流动的深入研究可以为工程实 际问题中遇到的复杂的气固多相流提供理论依据和试验指导，因此具有重要的工 程实用意义。 2 气固多相流的基本理论 气固多相流不同于单相流之处，在于气固多相流中存在着一定浓度的颗粒， 其运动非常复杂，且浓度变化不一。气固多相流有以下重要特点： 颗粒是分散相，其大小及运动规律各异。 颗粒间及颗粒与壁面存在着相互碰撞，可对运动带来较大影响。 湍流工况下，颗粒与气流的脉动相互影响。 由于气流和颗粒惯性不同，气流与颗粒间存在着相对速度，因而存在着 各自运动规律的相互影响。 颗粒之间及颗粒与壁面的碰撞和磨擦可产生静电效应。 在不等温流动中存在着热泳现象。 浙江大学博士学位论文 第二章 流场中压力梯度，速度梯度的存在，及颗粒形状的不规则，颗粒之间及 与壁面的碰撞等原因均会引起颗粒高带旋，从而产生升力效应。 颗粒质量的变化，如颗粒在燃烧过程中的失重等。 多相流和单相流的主要差别在于多相之间存在着耦合作用，即多相间的相互 作用，这种相互作用包括质量、动量、能量和湍流间的相互作用。对稀相气固多 相流来说，颗粒的存在对气相影响很小，可不予考虑，这种情况称为单向耦合， 即只认为气相特性单方面决定着固相的运动情况。对浓相气固两相流来讲，不仅 气相决定着固相的运动，反之，周相对气相的影响也不应忽略，这种情况称为双 向耦合，这种多相间复杂的相互作用和交换机理，是气固多相流湍流流动研究的 关键。 2 1 气固多相流的流动特性参数 气固多相流由于增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的相 界面，而各相之间又存在着个不可忽略的相对速度，导致流经管道的分相流量 比和分相所占的管截面比并不相等。因此描述气固多相流的流动特性参数远比单 相流动复杂，主要包括： 1 多相浓度 设颗粒容积为v 。，质量为i i l l ，流体的容积为v i ，质量为i i l | ，则以总容积表示 的多相浓度的定义为： v e 5 戒( 2 - 1 ) 以流体容积表示的容积浓度为：石= ( 2 2 ) ，g 相应的以总质量和流体质量表示的浓度定义为： q ：上( 2 - 3 ) j ，l g + m p 百= 互 1 2 4 ) m g 大多数情况下气固多相流的容积浓度比质量浓度小得多，约1 0 。数量级。在 电厂一次风煤粉输送时，质量浓度约为o 3 ，而容积浓度则只有1 0 1 数量级。 多相流动中若颗粒间相互贴紧，则容积浓度达到最大值。大小均匀的球形颗 粒紧密排列成立方体对，其容积浓度约为o 5 2 ；对随机排列的均匀球体，其容 积浓度为o 6 2 ：对于大小不均匀的颗粒，则最大容积浓度会更大些，因为小 第二章气周多相流研究综述 颗粒可能挤进大颗粒的缝隙中。 2 空隙度 - 空隙度即流体所占的体积与整个多相流体的总体积之比。 s = 每= 半小c ， s ， 圪 、 。 3 多相流体的粘度 当颗粒浓度不大时，多相流体的粘度和流体近似，当颗粒浓度增大时，多相 流体的粘度亦会增大，a e i n s t e i n 提出了描述多相流体粘度随颗粒浓度变化的 最著名的公式： 丝：! ! ：墅 以( 1 一c 。) 2 颗粒容积浓度为l o 、2 0 时，f g u t h 提出如下关联式： 一 丝= l + 2 5 c , + 1 4 1 口 以 颗粒容积浓度更高对，d g t h o m a s 提出了对球形颖粒更合适的关联式： 争= l + 2 5 c , + 1 0 0 5 口+ 0 0 0 2 7 3 e 1 6 6 ( j 以 多相流体的颗粒浓度较高时，其特性逐渐变成非牛顿流体。 对气固多相流的粘度也可用f ，8 a r n e a 提出的关联式计算： ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 争- e x p ( 1 6 7 ，e ) _ e x p 墅坠型( 2 - 9 ) c 卢。 l 一占 由于多相流体的粘度比单相流体的粘度大，在计算多相流动的雷诺数时，若考虑 颗粒的影响则应采用如值来估算。 4 比面积 分散颗粒相的表面积和其体积之比称为比面积。 5 颗粒松驰时间 颥粒的松驰时间t 。定义如下： f ：旦堕( 2 - i o ) 1 8 v p , 它表示气流微团能够曳引颗粒从静止或匀速直线状态下离开所需的时间，l 越 小，表示颗粒越容易被曳引，t 。值的大小可作为颗粒惯性的尺度。v 为气体运动 粘度。 浙江大学博士学位论文 第二章 2 2 气固多相流中颗粒的受力分析 气固多相流中颗粒受力情况非常复杂，主要受到下列力的作用：阻力，重力 和浮力，压力梯度力，虚假质量力，b a s s e t 力，m a g n u s 升力，s a f f m a n 升力等， 在岑可法，樊建人( 1 9 9 0 ) 的专著中对气固多相流中的颗粒进行了受力分析。 i 阻力 颗粒的阻力大小受到许多因素的影响，它与颗粒的雷诺数r e 。流体的湍流 运动、流体的可压缩性、流体与颗粒温度的差异、颗粒的形状、颗粒的燃烧速率、 壁面的存在及颗粒群的浓度等因素有关。因此，颗粒的阻力很难用统一的形式表 达。为研究的方便，引入阻力系数的概念，其定义为： c d = 丘 彬瞻魄一列 ( 2 1 1 ) o 为球形颗粒半径；p 。为流体密度：峪为流体的速度：为颗粒的速度，f , a 9 b 咀 力，则： 丘= 譬c d p g 卜t ，阶以) c 。则依各种具体情况而定。 我们在计算中取： c d 2 鼍厶 其中 而f 。= 1 + o 1 5 r e 。“”7 f o = o 0 1 8 3r e 。，当r e 。 i 0 0 0 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 重力和浮力 x c - - 自由下落时的球形颗粒，所受的重力疋和浮力只分别为： 丘= 丢材玩g ( 2 - 1 5 ) p o = i i ，3 岛g ( 2 - 1 6 ) 由于p 。远小于p 。，二者之比一般为i 0 。3 数量级，则凡也就远小于f 。 7 第二荦 气周多相流研究综述 3 压力梯厦力 压力梯度力，即当颗粒在有压力梯度的流场中运动时，颗粒所受到的由于压 力梯度引起的作用力。 若一球形颗粒在压力梯度为昂屠的流场中运动。它所受到的压力梯度力 元为： = - - 4 5 一一g = 一_ 害( 2 - 1 7 ) 考察压力梯度力与惯性力的比，土：鱼：鱼：( 2 - 1 8 ) v 谚 罐 考察压力梯度力与惯性力的比，上= 卫= 鱼：() m p npm p a pp g n 口 因为象z & 郎，这里a 口为颗粒的加速度，为流体的加速度， 显然，当a 。与a 。相差不大时，压力梯度力远小于惯性力，其比约为1 0 。 4 虚假质量力 当颗粒相对于流体作加速运动时，不但颗粒的速度越来越大，而且在颗粒周 围的流体的速度亦会增大，推动颗粒运动的力不但增加颗粒本身的动能，而且也 增加了流体的动能，故这个力大于加速颗粒本身所需的力，这好像是颗粒质量增 加了，所以加速这部分增加质量的力就称为虚假质量力，或称表观质量效应。 理论上，虚假质量力在数值上等于与颗粒同体积的流体质量附在颗粒上作加 速运动时惯性力的一半。 瓦7 1 。吖鲁毒 c z z 实验表明，虚假质量力将大于理论值，圃用个经验常数j ( i i l 代替1 2 ： 瓦= 如以f 鲁一) z ) 舯 k = 1 0 5 一若 ( 2 - z z ) 4 ：掣( 2 - 2 3 ) 口p 口p 对于气固多相流动，由于& p ，因此虚假质量力和颗粒惯性力之比是很 3 渤 一岛一砟土嘶 以所 浙江大学博士学位论文 第二章 小的，所以，当相对运动加速度不大时，可忽略虚假质量力的作用。 5 b a s s e t 力 b a s s e t 力是一个瞬时流动阻力，它只发生在粘性流体中，与流动的不稳定 性有关，它计及了颗粒的加速历程，在这个加速过程中，b a s s e t 力对颗粒的运 动有着较大的影响。 其中 一咖g 咖p 元= 垡巫4f 。鲁打 ( 2 z t ) 一s s + 涛 z s ， 6 m a g n u s 升力 无论在管道中或在炉膛中，煤粉颗粒都在边运动边高速旋转，其转速约为 1 0 0 0 转秒。不规则颗粒转速比球形颗粒要高。颗粒在运动中产生旋转的原因主 要有以下几点： ( 1 ) 速度梯度的存在，冲刷颗粒的力量不均匀。 ( 2 ) 颗粒形状不规则，颗粒各点所受到的形状阻力摩擦阻力不一样，形成了 旋转力矩，造成颗粒的旋转。 ( 3 ) 颗粒相互之间或与壁面的碰撞、磨擦产生旋转。 ( 4 ) 由于不均匀蒸发、挥发物释出及燃烧等热质交换过程而产生的旋转效 应。 根据升力定理，颗粒的旋转将产生升力，我们把由于颗粒的旋转所产生的横 向力称为m a g n u s 力。 。 一 1 ，、 e = 吉尤d ；以面，。魄一j ( 2 2 6 ) m a g n u s 力和重力近似为同一数值级。 当颗粒落入壁面边界层附近时，由于该处速度梯度很大，颗粒旋转速度将增 加，由于旋转，颗粒靠近壁面处流体流速降低而静压升高，另一侧流速升高，静 压降低，从而出现了个垂直于来流的横向升力，即m a g n u s 力，该力在边界处 的作用是使颗离离开壁面而不致沉降。 7 s a f f m a n 升力 颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于两边的压力差而使颗粒受到一个升 力的作用，该力不是由颗粒的旋转产生的，称为s a f f m a n 升力。s a f f m a n 升力的 表达式是s a f f m a a ( 1 9 6 5 ) 最早提出的： 董三塞 叁星童垫堡丝垒竺兰 、 芦 = 3 0 8 4 4 m p ! ! ! p ! , ! d ! p 1 v l i 。4 。5 1 i 。一i ，l ( 2 2 7 ) 由上式可知，s a f f m a ny t - j j 和速度梯度有关，在主流区，速度梯度较小，此 时可以忽略s a f f m a n 升力的影响，但在速度边界层中。s a f f m a n 升力的作用就很 显著了。 8 热泳力 颗粒在有温度梯度的流场中，将受到来自高温区的热压力而向低温区迁移， 这种现象称为热泳。热泳现象是由于颗粒面向高温区的那一侧面，受到的热压力 和速度较高的气体分子碰撞比低温区那一侧面来锝多所引起，在有温度梯度的流 场中，使颗粒由高温区向低温区运动的力通常称为热泳力。 热泳力的大小与温度梯度、颗粒直径、气流枯度p ；、气体和颗粒的导热系数 k 及k p 以及气体分子自由程等有关。温差越大，粒径越小，则热泳力的作用越 显著。 2 3 各种力对颗粒的运动轨迹的影响 以上我们分析了颗粒在气相场中的可能受力，这些受力性质和大小对于不同 的运动情况和不同的颗粒是各不相同的。下面我们看看各种力的数量级，有个大 致量级的概念。岑可法等( 1 9 9 0 ) 曾在炉内典型的颗粒和气流流动工况下对各种力 给出了定量分析见表z i 。 表2 - i 各种力的数量级 擘 1um 1 0 u 1 1 11 0 0 “! 1 1 各种力的名称 气流曳引阻力f f0 5 9 x 1 0 一2 0 1 5 x 1 0 o 8 2 1 0 1 压力梯度力f p 0 1 5 x 1 0 1 30 1 5 1 0 。20 1 5 1 0 1 旋转升力f 0 8 2 1 0 一“0 8 2 1 0 一“0 8 2 1 0 1 s a f f m 8 n 升力f ，0 ，2 6 l o “0 ，2 8 1 0 。20 3 3 】0 4 虚假质量力f 。 0 5 3 1 0 “60 6 4 1 0 1 10 7 2 1 0 1 0 b a s s e t 力f 日 0 5 8 i o 。2 06 2 1 0 ” 0 7 6 1 0 1 热泳力f 。0 1 9 1 0 - 1 10 。2 0 l o ”0 2 0 1 0 一i 2 重力f ；， 0 7 7 l o 一“0 7 7 1 0 一“0 7 7 1 0 1 浙江大学博士学位论文 第二章 由表可见，压力梯度力f 。，s a f f m a n 升力f 。和虚假质量力f ，的数量级都很 小。热泳力对d ，1 0 1 1m 的颗粒，其数量级和重力相比也很小，只有d o 5 um 时， 其数量级和重力相等或超过重力。m a g n u s 力在各种颗粒直径下均和重力为同一 数量级，它使颗粒能在炉内或管道中安全输送而不会沉降，b a s s e t 力依赖于气 流和颗料相对加速度的发展过程，在颗粒加速过程中是重要的力。气流曳引阻力 是作用于颗粒上的最大力，起着加速颗粒的作用。 岑可法，樊建人等( 1 9 9 0 ) 同时对各种力对颗粒运动轨迹的影响进行了探讨， 得到下列结论： 直径很小的颗粒( d p = 1 “m ) 完全随气流脉动，但随着直径的增大，脉动运 动将受到衰减作用，当颗粒直径达到1 0 0 um 时，基本上随气流脉动很 小了，在重力的作用下逐渐沉降，说明气流的脉动对小颗粒影响比较大， 对大颗粒影响较小。 当w = 5 0 0 r s 时，颗粒在重力的作用下很快沉降，说明此时m a g n u s 力不 足以与重力相抗衡，当w = l o o o r s 和2 0 0 0 r s 时，m a g n u s 力增大，在颗 粒加速段内，其数量级将大于重力，从而使颗粒不沉降。而一般情况下 颗粒转速的数量级为1 0 3 r s ，可见，煤粉能在管内不沉降的输送，m a g n u s 力起到了重要作用。 s a f f m a n 力在主流区作用很小，当颗粒进入边界层后，s a f f m a n 力增大， 托住颗粒使它不易沉到管壁。 细小颗粒在热泳力的作用下将垂直于气流方向较快地沉向受热面。 综上所述，由于压力梯度力、虚假质量力、b a s s e t 力都很小，热泳力只在 考虑温度效应时才存在，因此我们在研究颗粒在气流中的受力时，一般可忽略上 述诸力，仅考虑重力，阻力，m a g n u s 力和s a f f m a n 力的影响。 3 气固多相流的实验研究方法 气固多相流的实验研究方法主要是模化实验和测试技术。 1 气固多相流的模化实验 对气固多相进行模化，首先要做到几何形似；其次要使雷诺数相等或使气流 达到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。为使模型与原 型中固相流动相似，还须遵循一定的准则。 由z 定理可导出下列8 个独立的相似准则： 船 锱 ： 薏； 第二章 气固多相流研究综述 p p p g 乃：鉴： g l w 。r 2 幸 r e ：型： v p r = 里肇： g e u ：冬= ( r e ，叫 岛”； 其中，e u 为非定性准则，当r e ，f r 满足相似时，e u 也随之相似。h o 为均 时性准则，稳态时可不予考虑。兰巴为颗粒与气流速度之比。p r 为物性准则。垒 w g乓 为惯性力与升力之比。s t 准则为颗粒离心力与气粉相对运动时阻力之比。f r 为 离心力与重力之比。 此外，对分散相如用平均直径来模化时还应遵守如下条件：= i d e m ， e = i d e m 。啊为与颗粒粗细分布性质有关的系数，e 为颗粒相的浓度。 要同时满足上述所有准则是很困难的，应根据实际情况采取近似模化的方 法，通常作如下简化( 岑可法，1 9 8 7 ) ： ( 1 ) 炉内流动过程是稳定的，可不考虑均时性准则。 ( 2 ) 在几何相似的条件下，当气流流动达到自模化后，湍流准则亦基本上达 到自模，若此时满足阻力处于同一区域，则气流脉动对燃烧颗粒的影响亦可近似 得到相似。 ( 3 ) 如能满足进口条件相似，则意味着二= i d e m ；e = i d e m ；啊= i d e m 能 得到遵守。 。 ( 4 ) 要求遵守准则! ：f c 妇掰，在等温模化中用相同的物质即可做到。 p g 经上述简化可得多相流动的近似模化中，应遵守的相似准则为：f r ，s t 和 r e ( 或处于相同的流动阻力区) 。 2 气固多相流的测试技术 颗粒速度测量 常见的颗粒速度测量方法有取样法、动量法、相关法和激光多谱勒法。平均 法操作复杂，不能延续测量，得不到瞬时值；动量法是用平均浓度和动量求取平 均速度，需用平均法标定，和平均法一样得不到瞬时值；相关法是利用流体在颗 粒流动期间的一些细微变化，进行相关分析，以求得颗粒的平均速度：激光多谱 塑至查兰堡圭兰堡篁兰 薹三霎 勒频移测出速度值，其测量粒度商，但价格昂贵。 流量测量 测量包括速度法、节流法、示踪法、质量流量法和温度法。速度法即根据气 固多相流混合物的流速和平均密度得出流量，具体包括力学法、相关法、光学法 等；节流法包括孔板法、文丘利管法和比颈文丘利管法，是通过节流压差与流量 关系求得流量；温度法是利用能量平衡原理来测量流量；示踪法是利用新型示踪 技术测得流量；质量法则用科里奥式质量流量计直接测得气固多相流质量。 浓度测量 国内外目前测量气固多相流的方法很多，大多是利用颗粒的各种物理性质， 如比色法、光电法、电容法、静电法、超声法和光射程法等。上述方法可较快测 出浓度，但不易准确，通用性不强。至今常用的还是多相气流中固体颗粒的直接 取样进行浓度测定。 此外，三维粒子动态分析仪p d a 亦可用于浓度测量，但它并非直接测量，而 是在测得速度和粒径分布后通过计算求得。 粒径测量 可用p d a 测得颗粒粒径分布。 4 低浓度气固多相流的数值模拟 气固多相流的数值模拟包括气相场的模拟和颗粒相的模拟以及两相之间的 相互耦合。颗粒相的模拟分为低浓度颗粒相的模拟和离浓度颗粒相的模拟，区分 这两种颗粒相的模拟主要在于是否采用气固两相间的耦合，以及采用气固两相间 耦合对于流动情况的影响。目前稀相颗粒的模拟由于主要采用拉格朗日方法描述 的颗粒群轨道模型，所以两相间的耦合对于气固流动没有大的影响，一般都不采 用两相耦合；而浓相颗粒由于体积浓度很大，颗粒相的湍动和颗粒间的碰撞对于 气相场有很大影响，所以必须要考虑两相间的耦合，两相间的祸合对计算结果有 较大的影响。下面章节我们对这两种模拟方法分别进行说明，本文着重研究高浓 度气固两相间的流动和燃烧等过程，因此先对低浓度颗粒相颗粒的模拟进行说 明，再着重叙述高浓度颗粒相的模拟。 为了能比较完善和有效地进行气固多相流的数值模拟，必须首先建立相流动 理论模型，并相应地给出描述其运动规律的基本微分方程组，然后再求解这些方 程组。一般说来，我们总是先建立气相流动模型，并求解之，在此基础上再把颗 粒相加上去。 第二章 气商多相流研究综述 4 1 气相的数值模拟 对溘流气相场的研究有二种方法，即拉格朗目法和欧拉法。控格朗届法能给 出每个湍流脉动的微团在每瞬时的运动轨迹和状态，僵却不能描述出整个流场的 情况。而工程应用中所需要的位踅是整个流场孛的速度分布，这是拉播朗目法做 不到的，且在震湍滚扩散理论求解湍流运动对，控格朗日湍流尺度或时阚关联系 数的变化规律很难确切的测定，因此对求解湍流运动带来了困难，所以人们更多 的用欧拉方法来研究渍流运动。 用欧拉方法建立的不可压缩流体湍流的连续性方程和雷诺方程中共有十个 未知数，但方程只有四个，因此方程组是不封闭的，如向找出脉动速度和平均速 度之间的关系，以封闭方程组，便是溱流模型的任务了。下表给出了几种常见的 潺流模型的比较。 表2 - 2 常见漶滚模型的比较 模型 。 模型说明模型优点模型缺点 名称 零方包括两类，一类是由b o u s s i n e s q 提如的湍流粘性计算简单，简亿较多，工 程模理论，另一类是p r a n d t l 提出的混合长度理论。用不增加隧加程适用范围 墅平均速度场的局部速度撵度来表示鼹部雷诺应力，的方程。小。 使雷诺方程式中六个雷诺应力分量都变成平均速 度场的量，从而达到封闭湍流运动微分方程组酌。 单方由于零方程模型的混合长度和湍流粘性是一个局适用范围比 特征长度的 程模部平均的概念，缺少普遍意义。因此它在雷诺方程较广，计算数值很难由 型 靼连续性方程的基础上，再建立一个湍流动能方程和实验符合实验确定。 来使方程组封闭。没有使溃流运动微分方程组真_ 芷较好。 封闭，还需要引用p r a n d t l 混合长度概念。 双方在单方程模型的基础上，提出再加一个方程( 即k真芷使湍流 不能模拟强 程模和l 的组含量) 来使方程得以完全封闭。主要的双运动微分方旋流动，k 型方程模型有五种，其中以k - 双方程模型应用最程组完全封 e 模型的前 广，和实验值吻合也较好。闭，应用范 提假设是湍 围广。流各向同性。 雷诺 上面三种湍流模型采用了湍流糖性的假设，用有效抛弃湍流有模型较为复 应力 粘性系数和平均速度梯度豹乘积来模拟雷诺应力。效粘性的假杂，而且尚在 1 4 浙江大学博士学位论文第二章 j 模型雷诺应力模型直接建立雷诺应力微分方程，然后再设，直接建发展之中，应 作适当的简化，使方程组封闭。立雷诺应力用起来很不 微分方程。方便。 除了上表所列的湍流模型之外，许多学者还提出了各种新的湍流模型，k h a n j a l i c ( 1 9 9 4 ) 在文献中对各种湍流模型作了比较详细的综述。国内学者陶文铨 ( i 9 9 8 ) 也对目前主要的湍流流动数值模拟的计算方法作了归纳。 对湍流运动微分方程组的求解有多种方法，著名的s i m p e l 系列方法是常用 的种。s i m p l e 算法的全称为s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e d e q u a t i o n s ( 即半隐式压力相关方程解法) 其计算步骤可简单地概括如下： 1 首先假定初始的压力场分布胁： 2 求解动量差分方程，以得到u $ ，v ，w 4 ： 3 解压力校正方程，得p ： 4 计算p ； 5 利用速度修正公式计算u ，y ，： 6 求解其它量中的离散化方程： 7 把经过修正的压力p 处理成一个新的估计压力p 木。返回到第二步，重复 全部过程，直到收敛。 其中p 。为压力校正值，u ，v ，w 为速度近似值。s i m p l e 方法的优点是可 直接求出速度场和压力场，边界条件处理方便，解的收敛性也较好，因而得到的 广泛的应用。 除了求解各种湍流模型外，近来，一些新的细观模拟得n t 发展，如直接模 拟( d n s ) ，大涡模拟( l e s ) ，离散涡模拟( d v s ) 等，它们揭示了湍流瞬态结构，由 于采用直接求解n s 方程或相对较少的采用假设模型，所以求解的真实性较高， 但计算量大，难以用于复杂流动。这也是目前国际上c f d 研究的一个热点。 4 2 稀相颗粒的数值模拟 总体来说，描述颗粒相流动的方法可分为两大类，即欧拉方法描述的连续介 质模型和拉格朗日方法描述的颗粒群轨道模型。 1 连续介质模型包括三类：即无滑移模型，小滑移模型和滑移扩散连续介质模 型。 无滑移扩散连续介质模型 无滑移扩散连续介质模型是最简单的多相流体流动模型，由s p a l d i n g 教授 在七十年代初提出的，基本假设为： ( 1 ) 颗粒群按尺寸分组，不同尺寸的颗粒组是不同的相，各相温度和密度均 丝三兰 皇塑耄垫堡至彗量兰 相等： ( 2 ) 颗粒和流体间无滑移； ( 3 ) 各相类似于流体混合物中的某种组分，把它们作为有湍流扩散的连续介 质，且各相的湍流扩散系数均相等； ( 4 ) 相间的相互作用类似于流体混合物中各种组分之间的相互作用，颗粒相 和流体相间的阻力忽略不计。 在这些假定下，多相流体便类似于单相流体一样，可根据连续假定和单相流 体运动微分方程组，写出各相的方程。 该模型的主要优点是处理方法简单，计算方便，不需要重新编制计算颗粒相 的程序，而只要对原有的流体相之间的速度滑移及阻力作用，和认为颗粒相同流 体相一样有相同的温度和扩散系数，这和实际的多相流动情况差异很大，因而这 类模型应用较少。 小滑移连续介质模型 其基本假定是： ( 1 ) 颗粒群看作是连续介质，并按当地尺寸分组，不同的组为不同的相； ( 2 ) 各组尺寸颗粒群速度不等于当地的流体相速度，各颗粒相之间的速度亦 不相等，这是说各相之间有相对滑移存在； ( 3 ) 相间的相互作用类似于流体混合物中各种组分之间的相互作用，颗粒相 和流体相间的阻力忽略不计： ( 4 ) 颗粒的运动是由流体的运动而引起的，颖粒相的滑移是由于颗粒相对于 多相流整体的湍流扩散所致，故这种小滑移也称为湍流飘移： ( 5 ) 多相混合物整体与各相之间的关系，仍类似于多组分流体混合物和各流 体组分间的关系 根据假设条件。类似于多组分流体混合物的运动微分方程组，即可建立起小 滑移模型的运动方程组。和无滑移连续介质模型相比较，小滑移连续介质模型要 合理些，它考虑了颗粒相和流体相之间的速度和温度滑移，因而更接近于实际情 况，但这种模型在考虑滑移时仍把颗粒的滑移看作是湍流扩散效应，这和大数实 际的多相流动问题有很大的出入。 滑移一扩散的颗粒群模型 前两种模型假定相和相之间无相对速度或相对速度只是由于颗粒相扩散引 起