新型柴油机尾气处理装置的颗粒分布特性研究-硕士论文

分类号 UDC 密 级 学 号 1108020216 硕士学位论文硕士学位论文 新型柴油机尾气处理装置的颗粒分布特性研究新型柴油机尾气处理装置的颗粒分布特性研究 任任 维维 安安 学学 科科 名名 称称 车辆工程车辆工程 学学 科科 名名 称 称 工工 学学 指指 导导 教教 师 师 刘刘 凯凯 教教 授授 赵赵 桐桐 副副教授教授 申申 请请 日日 期 期 2014 年年 3 月月 新 型 柴 油 机 尾 气 处 理 装 置 的 颗 粒 分 布 特 性 研 究 任 维 安 西 安 理 工 大 学 摘要 I 论文题目 论文题目 新型柴油机尾气处理装置的颗粒分布特性研究新型柴油机尾气处理装置的颗粒分布特性研究 学科专业 学科专业 车辆工程车辆工程 研研 究究 生 生 任维安任维安 签签 名 名 导导 师 刘师 刘 凯凯 教教 授授 签签 名 名 赵赵 桐桐 副教授副教授 签签 名 名 摘摘 要要 柴油机的尾气处理一直是关系其生产效率的主要因素 循环流化床 CFB 在反应效率 以及热传导效率方面的优势 使其在柴油机节能减排领域有非常大的应用潜力 但是对于 非定常的工况条件下 摆动流化床上行床除硫剂的颗粒分布对柴油机尾气除硫效率有很大 影响 因此 可以采用 fluent 软件仿真与验证性实验相结合的方式对循环流化床的颗粒相 体积分数 轴径向速度进行研究 得出适合摆动工况的颗粒相除硫剂参数 以提高实际应 用中柴油机的尾气处理效率 此次研究阐述了国内外对流化床在相关工业领域的应用现状以及研究趋势 介绍了流 化床的工作原理和将其应用于新型柴油机上的优势 完成了流化床模型的三维建模 创建 摆动程序 以此来模拟非定常工况条件 根据尾气处理装置的气固两相流工作特性 结合数值仿真模型的适用条件 确立此次 仿真采用欧拉 欧拉 双流体 模型 通过正立条件下仿真结果得出上行床达到流化态的工 作时间 应用动网格的原理实现流化床的整体摆动工况的仿真 对仿真结果进行分析 可 以得出摆动工况对上行床颗粒径向分布均匀性的有影响的结论 为了验证本次仿真研究 按照仿真模型建立了对照实验 在之前仿真的基础上 探究颗粒直径对颗粒相径向分布的影响 以颗粒直径为变量建 立四组对照仿真 可以得到 颗粒径向分布均匀性随颗粒自身的尺寸参数变化的趋势 还 通过统计分析各组仿真结果得到 颗粒尺寸对旋风分离器分离效率的影响趋势 总的来讲 本文借助 fluent 软件对摆动工况的柴油机尾气处理装置进行数值模拟 结 合验证性实验 得出了影响颗粒分布的因素 从而为摆动工况的柴油机尾气除硫剂选取合 理参数提供了依据 关键词关键词 柴油机 循环流化床 FLUENT 气固两相流 欧拉 欧拉模型 颗粒碰撞 西安理工大学硕士学位论文 II 本研究课题得到了国家自然科学基金 非定常工作条件下流化床内粒子分布的实时测量及 动力学分析 51275409 的资助 Abstract I Title PARTICLE DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF THE NEW DIESEL ENGINE TAIL GAS TREATMENT DEVICE RESEARCH Major Vehicle Engineering Name Weian REN Signature Supervisor Prof Kai LIU Signature Associate prof Tong ZHAO Signature Abstract Diesel engine tail gas treatment always be a major factor about its production efficiency Because of the circulating fluidized bed CFB in the reaction efficiency and the heat conduction efficiency advantages There is great potential in the field of energy saving and emission reduction of diesel engine Under the conditions of unsteady Particles distribution of desulfurization agent has a large influence on desulfurization efficiency of diesel engine of fluidized bed upward bed Therefore combining the fluent software simulation and experiment to study the circulating fluidized bed particle phase volume fraction axial and radial velocity of obtain the suitable value of desulfurization agent in order to improve the efficiency of diesel engine tail gas treatment in the practical application of machine This paper describes the present level of application and research trends in the field that fluidized bed in the relevant industry in worldwide introduces the working principle of the fluidized bed and the advantages of the new diesel engine used Completed a three dimensional fluidized bed model and swing program in order to simulate the unsteady working conditions Based on the gas solid two phase flow characteristics of tail gas treatment device and application condition of numerical simulation model are to select Euler Euler model using in this paper According to the principle of dynamic mesh complete the simulation of swing CFB depend on time by simulation of upright to fluidization Analysis results of simulation we can obtain conclusion that the swinging conditions has an influence on radial uniformity of solid particles in upward bed In order to verify the simulation establish experiment depended on model of simulation On the basis of previous simulation explore the impact of particle diameter on radial distribution of particle phase Establish four groups contrast simulation with the change of particle diameter we can obtain solid particles radial uniformity variation trend accompany with particle diameter changes In addition through the statistical analysis on each simulation results 西安理工大学硕士学位论文 II we can draw the trend of particle size effect on the separation efficiency of cyclone separator In a word distribution characteristics of swing fluidized bed of particles studied by fluent software Combined with parallel experiments revealed the factors of effect on particles distribution Provide the basis for selected suitable desulfurizer parameters within diesel engine on swinging conditions Key words Diesel engine FLUENT CFB gas solids flow Eulerian Eulerian model particle collision This project was funded by the National Natural Science Foundation of China Visualization and dynamic analysis of particle distribution behaviours in a swing fluidized bed item number 51 275409 目录 I 目录 1 绪论绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外研究及应用进展 2 1 3 本次研究的主要内容 3 1 4 本章小结 3 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型流化床在柴油机中的应用及数学模型 5 2 1 大型柴油机的尾气排放现状 5 2 2 循环流化床工作原理 5 2 2 1 循环流化床脱硫过程 5 2 2 2 颗粒相流化态理论 6 2 3 气固两相流的数值模型 9 2 3 1 欧拉 拉格朗日模型 9 2 3 2 欧拉 欧拉模型 9 2 3 3 气固两相流中颗粒相的受力 11 2 4 双流体模型应用现状 14 2 5 CFD 软件介绍 15 2 6 本章小结 15 3 循环流化床的数值模拟循环流化床的数值模拟 17 3 1 几何模型建立 17 3 2 循环流化床数值仿真 17 3 2 1 仿真条件 17 3 2 2 正立状态上升床仿真 19 3 2 3 摆动状态上升床仿真 23 3 3 本章小结 31 4 对照实验对照实验 33 4 1 电容层析成像技术介绍 33 4 1 1 ECT 原理介绍 33 4 1 2 流化床中传感器位置 34 4 2 实验 35 4 2 1 实验条件 35 4 2 2 实验结果 36 4 2 3 结果分析 37 4 3 本章小结 41 5 颗粒尺寸对流化床两相流的影响的探究颗粒尺寸对流化床两相流的影响的探究 43 西安理工大学硕士学位论文 II 5 1 对照仿真的操作条件 43 5 2 对照仿真 44 5 2 1 颗粒相直径 0 3mm 仿真结果 44 5 2 2 颗粒相直径 0 1mm 仿真结果 47 5 2 3 颗粒相直径 0 05mm 仿真结果 49 5 3 仿真对照结果分析 52 5 4 本章小结 53 6 总结与展望总结与展望 55 6 1 总结 55 6 2 展望 55 致谢致谢 57 参考文献参考文献 59 附录 攻读硕士学位期间发表论文与参与项目附录 攻读硕士学位期间发表论文与参与项目 63 1 绪论 1 1 1 绪绪论论 1 11 1 研究背景及意义研究背景及意义 气候问题和环境变化已经成为全球关注的热门话题 我国政府也将节能减排来应对 全球气候变化纳入了国策 为了抑制温室气体排放引起的全球气候温暖化 迫切需要在 各个领域加强减少能源浪费和降低废气物的排放量的力度 柴油机作为全球主要的货物 运输的交通工具的动力装置之一 其运输中的废弃物排放严重影响全球的气候变化 据 调查 每年全球排出的废气中 大约有 15 的氮氧化物以及 5 8 的硫氧化物是由柴油机 排出的 1 2 柴油机排放尾气中 CO HC 等有害物质含量大概是汽油机的 1 10 然而柴 油机的微粒排放量却是汽油机的 30 80 倍 其微粒主要成分是碳颗粒物 颗粒直径小 比表面积大 吸附力比较强等特点 其成分的 90 以上是可致癌物质 导致大气污染 破坏人类健康 3 国际上对柴油机尾气排放中污染物的限制将会更加严格 因此 对柴 油机节能减排技术的研究越来越受到各国政府及科学家的重视 柴油机节能化方法大致有以下几种 改进燃油喷射系统 进 排气门定时的最佳化 改善供气流动特性和增压系统 以及提高柴油机的热效率等 其中柴油机的效率问题一 直是节能化的焦点 近年来 作为提升柴油机效率的有效方法之一 柴油机排出废气的 热能回收再利用受到了越来越多的重视 柴油机排热回收系统中通常是使用废气节能器 来达到回收排放废气中热能的目的 由于占用空间以及成本的关系 只在集装箱船或大 型车辆上得到了应用 因此 对于其它车辆 船舶来说 大量的热能没有得到有效利用 限制了能源的使用效率 另一方面 由于柴油机使用的燃料其燃烧后的废气中含有大量 的有害物质 在设计柴油机热回收系统时 必须考虑对排出废气中的硫化物等有害物质 的净化 循环流化床作为一种具有高反应效率以及热传导效率的化学反应装置 被广泛应用 于石油精制 制药 废弃物处理等化工工业领域 近年来 由于其在反应效率以及热传 导效率方面的优势 循环流化床在柴油机节能领域的应用也被认为具有很大的潜力 图 1 1 所示的是一种将循环流化床与蒸汽涡轮机相接合构成的新型柴油机废气处理系统示 意图 循环流化床的引入 可以将尾气当中硫化物 氮化物含量降低还可以将部分能源 回收再利用 这种新型柴油机废气处理系统能够很大程度上的提高柴油机 特别是中小 柴油机废气处理系统的废气净化能力以及热能回收效率 西安理工大学硕士学位论文 2 图 1 1 新型柴油机废气处理系统示意图 Fig 1 1 Tail gas treatment diesel of the new engine 1 21 2 国内外研究国内外研究及应用及应用进展进展 对于大型柴油机尾气处理方面循环流化床在反应效率以及热传导效率方面的卓越性 能 越来越多的国内外学者致力于研究流化床内固 气两相流体的各种特性及其动力学 性能 并通过实验以及各种仿真方法进行了详细的探讨和分析 4 5 寻找其在尾气净化及 热能回收方面的功用 其中 流化床内固相的分布特性被认为是一项很重要的因素 因 为它会直接影响到床内的质量传递特性 6 以及固 气两相的接触性能和反应率 7 因 此 很多研究者致力于研究影响固相的分布特性的主要参数 B Wu 8 等利用光学纤维探 针测量了直径为 4 英寸的下行床内粒子浓度波动并进行了分析 C Huang 9 等利用磷化 轨迹追踪技术对直径为 0 418 米的下行床内轴向及径向粒子的分布进行了测量 X Qi 10 等利用光学纤维探针技术对床内完全展开区域的粒子浓度分布特性进行了分析 M H Zhang 等分别利用双层光学探针技术 11 和计算仿真技术 12 对床内固相浓度的时域变化 以及粒子群的形成进行了详细的探讨 但是 这些研究结果都是在循环流化床处于定常条件的情况下得到的 而由于受到 外界干扰因素的影响 柴油机尾气处理设备不可避免的会不在安定或者说非定常的条件 下工作 这里所说的非定常工作条件主要是指出现的在一定频率或者不断变化频率下的 摇摆 以及可能短时间出现的一定角度的定倾斜等与在陆地上工作时截然不同的工作条 件 而这种工作条件 必然会对尾气处理设备的工作可靠性和工作效率产生重大的影响 目前对这种非定常工作条件下床内多相流体的整体动力学性能的研究还非常缺乏 使得 对其内在的动力学特性及机理缺乏足够的理论和科学依据 从而制约了循环流化床在尾 气处理工业以及其他工作环境不稳定的工业领域中的应用 因此 在将具有很高反应效 1 绪论 3 率以及热传导效率的循环流化床应用于提高摆动柴油机废气处理系统的废气净化能力以 及热能回收效率之前 必须对在非定常条件下循环流化床内流体的动力学性能具有明确 的认识和了解 总的来说 目前的大部分研究成果都仅仅局限对于循环流化床在定常工作条件下动 力学性能的分析 而本课题以非定常工作条件下循环流化床内的多相流的动力学特性研 究为目的 进一步提高流化床在柴油机尾气处理系统的工作效率 更加符合其实际工作 状态 应用动力学理论对废气颗粒分布进行分析计算 并结合数值仿真结果 揭示颗粒 相分布均匀性以及稳定性的变化规律及主要影响因素 为循环流化床废气处理系统等复 杂工作条件下的高效应用提供理论及技术支撑 具有十分重要的意义 1 31 3 本次研究的主要内容本次研究的主要内容 1 建立尾气排放设备中循环流化床的三维模型 分析循环流化床的上行床达到流化态 影响因素 根据欧拉 欧拉双流体模型建立气固两相流的数值连续方程 2 采用 fluent 软件进行循环流化床气固两相流正立状态下的流场分析 确定流化时间 设定摆动流化床的摆动位置函数 建立摆动模型 采用动网格原理分析摆动流化床颗粒 相的体积分数分布等参数 3 结合电容层析成像技术进行试验验证数值仿真的正确性 对数值仿真方法进行对比 分析 4 改变数值仿真的操作条件 进行以颗粒直径为变量的多组对照仿真 最后统计分析 颗粒直径对摆动循环流化床的径向颗粒分布的影响 1 41 4 本章小结本章小结 通过对柴油机尾气处理设备的认识 了解到循环流化床的尾气除硫当中有非常广阔 的应用前景 对大量国内外相关文献的学习认识到 摆动循环流化床在目前工业领域有 很大的现实意义 虽然流化床的相关研究已经非常成熟 但是非定常条件下的摆动流化 床研究工作仍待进一步进行 本文就是重点针摆动流化床的上行床径向颗粒体积分数分 布以及体积分数与轴向速度的关系进行研究 西安理工大学硕士学位论文 4 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型 5 2 2 流化床在柴油机中的应用流化床在柴油机中的应用及数学模型及数学模型 2 12 1 大型柴油机的尾气大型柴油机的尾气排放排放现状现状 现在大型的工程机械 远洋轮船等由于动力性能的要求 基本上都采用柴油机作为 动力装置 而柴油机的尾气排放也是近年来各个领域专家关注的热点 柴油机因为其工 作原理的不同于汽油机 柴油机尾气中颗粒比较多 通过控制喷入燃料的雾化质量 优 化气缸的形状等可以直接影响尾气中有害物质的生成 柴油机的尾气中的有害颗粒物是一个非常严重的问题 即使能比较好的设置运行条 件 使其排放的尾气颜色清淡 但是其中的有害颗粒量也是不可忽视的 对于柴油机而 言 由于柴油和空气的混合阶段比反应速率慢 因此采用的扩散燃烧方式决定了柴油机 尾气产生颗粒是不可避免的 影响颗粒排放的因素主要包括负载 燃烧系统 转速 燃 油质量 燃油添加剂等 13 全球范围内尾气污染越来越严重 各个国家相继出台了很多法规进行控制排放 从 限制 HC CO 的排放 到后来将烟气颗粒的排放也纳入了尾气控制的范围 对于船舶柴 油机而言 由于对其燃油成本考虑 大多数采用重油 HFO 因此其尾气有害物更加严 重 据国际海事组织 IMO 考察报告船用柴油机每年排放 NOx大概 1000 万吨 SOx 大约 800 多万吨 加上超过一半的船只在离海岸线 500km 范围内航行 因此轮船尾气已 经造成海岸线地区的主要污染物 之前有学者对 NOx SOx的控制方法已经做了分类 14 目前的船用柴油机脱硫技术有 海水脱硫方法和喷雾干燥方法 15 出于对柴油机尾气污染成分的考虑 对于烟气除硫脱氮技术要求越来越高 对船用 柴油机尾气控制可以采取从燃料类型 燃烧过程中以及尾气排放后进行控制 前面两者 近年来很多学者已经做了不少研究 并得到了可行的方案 而对于尾气排放后的氮化物 硫化物的控制还很少 结合陆地上使用的流化床锅炉考虑其排放物控制这一思想 本次 研究着力于研究循环流化床在轮船上非定常条件下的应用 循环流化床的工作效率很大 程度上取决于气固两相的混合均匀性 因此本次研究重点讨论在摆动状态下固相颗粒在 上升床中的分布状态 2 2 2 2 循环流化床工作原理循环流化床工作原理 2 2 2 2 1 1 循环流化床循环流化床脱硫过程脱硫过程 循环流化床的除硫原理 循环流化床原理图如图 2 1 所示 气相从流化床进口进入 堆积在床底的颗粒相和气相经过上行床 由于颗粒相受到重力的作用 颗粒又会落下来 因此颗粒相在上升床中存在双向运动 这和液体受热沸腾类似 颗粒相也膨胀起来 把 床层底部到颗粒 沸腾 界面这一段称为密相区 由密相区开始向上颗粒处于悬浮状态 颗粒含量比较少 一般认为孔隙率 颗粒相内空隙占总体积的比例 达到 0 85 0 99 的区 西安理工大学硕士学位论文 6 域称为稀相区 开始在床层底部 气相的流量比较少 堆积颗粒处于固定状态 随着气 相流量的增加 气相对颗粒相的拖曳力等于重力时 颗粒相处 于悬浮状态 此时的气相的速度称为流化速度 把稀相区颗粒 认为达到流化状态 实际上稀相区和密相区之间是逐渐过渡的 颗粒相之间存在相对运动 使之产生了一些流体运动的性质 称为流态化 混合相经过上行床后通过旋风分离器进行分离 气相由出口排出 颗粒相再一次经过返料口进入到流化床底部 循环流化床的除硫功能就是应用固体流态化的原理进行实 现的 烟气粉尘充当气相由进口吹入流化床 在循环流化床内 部认为加入除硫剂 CaCO3 充当颗粒相 颗粒相与气相进入 上行床 颗粒相达到流化状态后 颗粒相与气相接触面积大大 增加 除硫剂与烟气可以进行充分的化学反应 烟气中的硫化物 被清除 混合相经过旋风分离器的作用高温的气相 洁净尾气 由出口排出 除硫剂因为重力而沉降下来 通过返料再次进入流化床底部 进行下一次 循环 在整个循环的过程中 布置在外围的热量吸收装置可以对尾气能量的二次利用进 行良好的回收再利用 达到节能目的 2 2 2 2 2 2 颗粒相流化态理论颗粒相流化态理论 流化床在柴油机尾气处理的应用中 为了达到除硫剂与尾气中硫化物的充分反应 就必须使除硫剂颗粒在流化床中处于流化状态 气相由进口处流经上行床的过程中 颗 粒相的运动状态是不断变化的 当气相速度比较低时 气相在颗粒相的缝隙中通过 颗 粒相仍处于固定床状态 图 2 2 不同条件下的床层类别 Fig 2 2 Bed classification with different conditions 当速度达到一定时 颗粒相受到曳力和浮力等于颗粒相的重力 颗粒相在上行床中 自由运动起来 床层压降不随流化风速继续增大 此时颗粒相的运动状态就类似与流体 图 2 1 流化床原理 Fig 2 1 the principle of CFB 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型 7 把这种 状态称为临界流化状态 因此为了实现颗粒相流化状态 理论上气相的速度要大于 临界流化速度 实际上 CFB 正常运行所需速度为临界流化风速的 1 5 2 倍 16 如图 2 2 所 示 如图所示 颗粒一般呈现 固定床 临界流化床 稀相流化床 鼓泡流化床 快速 流化床 湍流流化床 腾涌流化床 临界流化速度的计算可以用经典的 Ergun 公式进行计算 17 2 22 0 0 233 1 75 1 150 1 f pppp wp hdd 2 1 式中 p 床层压降 Pa h 固定床床料高 m w0 气相流速 m s 床内粒子空隙率 f 气相密度 kg m3 p 颗粒球形度 p d 颗粒直径 m 气相动力粘度 Pa s 在流化床床层处于流化状态时 气相对颗粒相产生的曳力等于重力减去浮力 利用 Ergun 方程可以得到气相对所有颗粒相产生的曳力为 2 2 0 00 233 1 75 1 150 1 f pppp w up A hdd 2 2 A 床层面积 m2 流化床内所有颗粒受到的重力和浮力差值为 gfpf F F gh 1 A 2 3 又因为 3 2 pfpf dg Ar 2 4 fpij d Re 2 5 当颗粒相处于临近流化状态时 颗粒受到的重力等于拖曳力和浮力之和 联立上式 得到 西安理工大学硕士学位论文 8 2 322 150 1 1 75ij ijij pijpij ArReRe 2 6 A 床层面积 m2 Fg 颗粒重力 N Ff 颗粒受到的浮力 N Ar 阿基米德数 ij 床层孔隙率 之前的研究人员实验总结得到 3 1 14 pij 2 7 23 1 11 ij pij 2 8 化简后得 2 24 51650 ijij ArReRe 2 9 当气相速度比较低时 即 Reij比较小 上式中右边第二项起主导作用 同样的道理 Reij比较大时 上式中右边第一项起主导作用 根据文献理论 18 可以得出临界流化速 度的计算公式 Re20 2 1650 ppf ij dg um s 2 10 3 Re10 24 5 ppf ij g dg um s 2 11 当雷诺数介于其间时 临界流化速度计算公式为 33 711340 041 ij fp uAr d 2 12 此外 颗粒相的末端回落沉降速度为 4 3 ppg t Dg dg u C 2 13 CD 曳力系数 层流区 24 Re D t C Ret 0 4 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型 9 过渡区 0 6 18 5 Re D t C 2 Ret 500 湍流区 0 4 4 D C 500 Ret0 从第 i 相传递到第 j 相的质量 则 vij vi mij 0 从第 j 相传递到第 i 相的质量 则 vij vj且 vij vji 2 3 32 3 3 气固两相流中颗粒相的受力气固两相流中颗粒相的受力 在流化床数值仿真的双流体模型中采用气固两相介质 运动颗粒在流体中的受力包 括惯性力 压力梯度力 重力 曳力 附加质量力 Basset 力 升力 Magnus 力和 Saffman 力等 20 这些力当中的惯性力 压力梯度力和重力与颗粒相和气相之间的相对运动速度 无关 而附加质量力 Basset 力 升力 Magnus 力和 Saffman 力等这些力的大小主要与 气固两相之间的相对速度有关 1 压力梯度力 通过颗粒上去积分的方法得到压力梯度力的计算公式如 pp p FV x 2 24 其中 Vp 颗粒体积 根据惯性力 21 的定义 ppp Fm a 2 25 上行床当中的压力梯度可以近似为 gg p a x 2 26 压力梯度力与惯性力比较 pp pgg pppppppp pp VV Fa xx Fm aVaa 2 27 其中气相和颗粒相的加速度在同一数量级 而气固两相的密度差非常大 所以压力 梯度力与惯性力相比 可以忽略 西安理工大学硕士学位论文 12 2 附加质量力 附加质量力是颗粒做变速运动 从而导致颗粒的表面形成了压力的分布不对称 因 而形成的合力 跟你据文献 22 可以得到附加质量力的定义 1 2 gp Vmgp dvdv FV dtdt 2 28 从上式中可以看到附加质量力是与颗粒相同体积的气相质量附加在颗粒相上作加速 度运动时的惯性力大小的一半 实验表明 23 实际的虚假质量力将大于理论值 因此用一个经验常数代替上式中的 0 5 实际计算当中 由于气相密度远小于颗粒相密度 所以附加质量力通常可以忽略 24 3 Basset 力 从下式中可以看出 Basset 力主要出现于粘性流体的流动过程中 并且与气 相流动稳定性有很大关系 p 2 3 2 g t Bpg dvdv dd Fdd t 2 29 剪切力达到稳态的时间 动力粘度 在本次数值仿真中气相的粘度较低 因此 Basset 力可以和忽略 4 Magnus 升力 在流化床的气固两相流当中 颗粒相除硫剂都是在直线运动的同时伴随高速的 旋转运动 并且不规则颗粒的旋转速度要大于规则颗粒 颗粒产生旋转的原因分析 由于气相速度存在的梯度现象 气相对颗粒相进行冲刷进而造成旋转 固相颗粒的形状不规则性 导致阻力对其形成不同的力矩 进而形成颗粒相 的旋转结果 颗粒之间 颗粒与壁面之间的相互碰撞形成旋转 由于颗粒相的旋转引起的横向升力称之为 Magnus 升力 根据文献 24 计算公式 3 1 8 lpggp Fd 2 30 数值仿真过程中颗粒相都采用理想颗粒 颗粒直径 大小均匀 因此忽略 Magnus 升力 4 Saffman 升力 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型 13 图 2 3 Saffman 升力示意 Fig 2 3 Saffman lift 如图 2 3 所示 点 B 的速度大于点 A 则点 A 的压力大于点 B 的压力 所以使颗粒 有向上运动 这个力叫做 saffman 力 Saffman 和 Magnus 不同之处在于它不是由于颗粒 的自身旋转产生的 其表达式由 saffman 提出 2 1 2 2 1 61 g sgpgp du Fduu dy 2 31 在流化床数值仿真当中 上行床的流化阶段速度的梯度很小 而本次研究主要针对 上行床的颗粒相分布研究 因此 saffman 力在数值仿真中可以忽略 5 曳力模型 在双流体模型中 颗粒相和气体相速度不相同的情况下对高速的相将受到低速相的 阻力 低速相受到高速相的曳力 循环流化床中 颗粒相的速度比较低 因此颗粒相受 到气相的曳力作用 1Gidaspow 模型 气相体积分数0 8 g 时 2 65 3 4 pggpg Dg p vv fC d 2 32 0 8 g 时 2 2 65 2 1501 75 gppg pgg g gpp vv f dd 2 33 其中 Res 1000 时 0 68724 1 0 15Re Re Dgp gp C 2 34 g dudyk B A Up 西安理工大学硕士学位论文 14 Re gppg p g d vv 2 35 Res 1000 时 D C 0 44 2 Syamlal O Brien 两相之间曳力 2 Re 24 Dpg d r p C F v 2 36 CD 曳力系数 vrp 颗粒相的末端速度 2 4 8 0 63 Re D pr p C v 2 37 Re gppg p g d vv 2 38 22 0 5 0 06Re 0 06Re 0 12Re 2 r pppp vABAA 2 39 上式中 4 14 g A 0 85 g 时 1 28 0 8 g B 0 85 g 时 2 65 g B 虽然数值模拟的过程已经有比较严格的数学模型 但是曳力定律的模拟还是半经验的 因此在数值仿真中选择合适的曳力模型很重要 双流体模型在仿真中仍然在不足之处 但是就目前工程实践经验开看 双流体模型 仍然是一种最经济的仿真方法 在循环流化床的仿真中 参照文献 25 经验 本次仿真 选用 Syamlal O Brien 曳力模型 气相的体积分数在 0 9 左右 并且采用上述后一组参数 正如之前所述 曳力 附加质量力 Basset 力 Magnus 力与 Saffman 力与气固两相 刘之间的相对速度有很大关系 在流化床的数值仿真中通常只考虑曳力作用 26 2 42 4 双流体模型应用现状双流体模型应用现状 双流体模型的提出 其解决问题的思路是求解部分的 N S 方程 沈志恒 孙巧群等 27 应用欧拉 欧拉双流体模型模拟颗粒脉动以及用 k 方程模型模拟气相湍流 考虑到气 相和颗粒相之间的耦合作用 得出了湍动流化床颗粒密相区出现在下部 稀相区出现在 上部的结论 在密相区 上升床径向方向颗粒体积分数在床中心处低 靠近壁面逐渐增 高 而稀相区颗粒体积分数分布比较均匀 上升床轴向方向颗粒体积分数表现出底部高 顶部低的 S 型分布 王淑彦 何玉荣等 28 考虑颗粒相的自身旋转对碰撞能量交换和 耗散影响 建立流化床气固两相流 Euler Euler 双流体模型 模拟流化床内两相流动特点 结果表明 随着上升床层平均空隙率和膨胀高度的增加 流化床中心区域颗粒相轴向速 度提高 Jianmin Ding 和 Dimitri Gidaspow 29 率先在双流体模型中运用颗粒动力学理论 2 流化床在柴油机中的应用及数学模型 15 模拟鼓泡流化床内的离散相流动 并且将模型的颗粒流动性推广到稀相区和密相区 齐 亚茹 董俊华 30 等 运用双欧拉模型 对安全阀内煤炭颗粒相的冲刷过程进行了数值模 拟 向文国 徐祥 31 等运用欧拉双流体模型 将颗粒相看做拟流体 研究了循环硫化床 上升段的颗粒相体积分数 速度的分布规律 并且得出了 环核结论 以及找出了压 降与进口速度的关系 验证了实验结果 石惠娴 32 应用双流体模型仿真大尺度循环硫化床的气固两相流特性 并且采用 PIV 技术对冷态循环流化床进行了三维仿真 得到了循环流化床高体积分数的颗粒相流动特 性 2 52 5 CFDCFD 软件介绍软件介绍 计算流体力学 Computational Fluid Dynamics CFD 是以数学模型为基础 计算机 运算的数学仿真的统称 采用计算机处理的手段 并且克服很多理论分析和实验测量的 不足 比如 CFD 具有计算周期短 耗材成本低 数据结果容易提取等优点 所以 CFD 在航空航天 流体机械 化工设备等领域得到了广泛的应用 目前商用的 CFD 软件门类很多 采用 CFD 解决实际问题通常分为三个阶段 前处 理 计算求解 后处理 常用的前处理软件有 GAMBIT ICEM workbench 等 通过前 处理软件建立流域三维模型 划分计算网格 求解软件包括了 fluent CFX cart3d 等 在求解软件中设置计算仿真参数 建立求解模型进行求解 在仿真完成后通常采用 tecplot ensight 等软件对后期数据进行处理 生成数据云图 曲线坐标图 动画等 下 面是整个 CFD 仿真路线设计如图 2 4 所示 本次研究论文采用 proe 建立三维模型 由于 ansys 和 proe 接口技术比较好 将三维 模型导入 workbench 进行网格划分边界条件创建 在 fluent 中进行求解 最后由 tecplot 处理数据结果 2 62 6 本章小结本章小结 本章介绍了循环流化床在柴油机当中的应用 循环流化床的工作原理 循环流化床 达到流态化的计算方法 根据流化床气固两相流的特点 确立了数值仿真的采用欧拉 欧拉双流体模型 并且从颗粒与颗粒碰撞建立力学模型 简单介绍粘性阻力在流化床当 中求解 阐述了本次研究所涉及到的计算机软件 西安理工大学硕士学位论文 16 图 2 4 CFD 仿真路线 Fig 2 4 CFD simulation process 建立控制方程 确立初始条件及边界条件 划分计算网格 生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解收敛否 输出和处理计算结果 是 否 3 循环流化床的数值模拟 17 3 3 循环流化床的数值模拟循环流化床的数值模拟 3 13 1 几何模型建立几何模型建立 本文研究对象如图 3 1 所示循环流化床的 1 1 实验 33 几何模型 物料经进口直径 50mm 圆柱型上升床高 1510mm 混合相由旋风分离器分离烟尘由压力出口排出 出口 直径 110mm 脱硫剂颗粒经过下行床再次进入上行床 组成完整的脱硫剂循环系统 图 3 1 循环流化床几何模型及网格模型 Fig 3 1 Circulating fluidized bed geometry and mesh 此次研究的主要对象为上行床 因此在模型网格划分过程中对上行床进行网格细化 为了提高网格质量 准确研究壁面处颗粒分布情况 设置 5 层边界网格 划分网格时采 用六面体网格划分 以便更有效的实现动网格功能 同时能够减少计算时间提高计算精 度 本文研究的流化床在 workbench 中划分网格得到网格数量为 28 万 满足 fluent 的求 解范围 3 23 2 循环流化床数值仿真循环流化床数值仿真 本文的对象是针对于摆动非定常条件下流化床工况的研究 因此在建立仿真模型时 首先需要创建正立状态下的对照仿真 以便明确达到循环的时间 为后续摆动状态数据 处理提供依据 3 2 13 2 1 仿真条件仿真条件 摇摆流化床的摆动条件 为适应非定常条件下的仿真效果 在 fluent 仿真过程中通过应用动网格原理实现摆 动设置 还原实验中的摆动效果 本研究对流化床采用整体摆动 34 设置 如图 3 2 所示 Y Z 1510mm inlet riser cyclone separator 上上 行行 床床 outlet 西安理工大学硕士学位论文 18 上升床部分摆动示意 摆动位置函数 sin tAt 3 1 摆动角度 A 摆动幅度 角频率 此次仿真设置 A 15 0 2618 周期5Ts 所以 2 2 50 4T 3 2 所以 sin 0 2618 sin 0 4 tAtt 3 3 角速度函数 cos 0 2618 0 4cos 0 4 d Att dt 3 4 图 3 2 摆动位置及采样截面示意 Fig 3 2 Swing position and sampling cross section 仿真参数设置 在仿真时设定颗粒相堆积 35 在流化床底部 堆积体积为 500ml 气固两相流曳力模 型采用 Syamlal O Brien 仿真模型采用双流体模型 由于运动过程不是规律的圆周运动 因此运动网格的实现需要采用 motion UDF profile 来实现正弦的摆动过程 设置收敛判别 值为 10 3 仿真中采用的由 Launder 和 Spalding 36 提出的标准 k Epsilon 湍流模型 该 X Y 30 3000mm riser 1750mm 2000mm 2250mm 2500mm 2750mm 3 循环流化床的数值模拟 19 模型中耗散率的定义式为 j i kk u u xx 3 5 则 k之间的关系式为 2 t k C 3 6 结合实验模型参数 设置颗粒相直径 密度如表 3 1 所示 基本边界条件参数设置 如表所示 3 2 3 2 2 2 正立状态上升床仿真正立状态上升床仿真 本次研究建立了正立下状态下的对照算例 其仿真参数设置如表 3 1 所示 正立算 例的边界条件 仿真参数及几何尺寸参数与摆动算例相同 不同在于取消了动网格 即 仿真时模型正立不动 表 3 1 仿真参数 Table 3 1 Simulation parameters 名称 单位 摆动 正立 气相密度 Air kg m 3 1 2 1 2 颗粒相密度 CaCO3 kg m 3 2500 2500 动力粘性系数 a kg m 1s 1 1 79 10 5 1 79 10 5 颗粒相直径 mm 0 5 0 5 曳力模型 Syamlal O Brien 23 Syamlal O Brien 进口条件 velocity inlet 10m s 1 velocity inlet 10m s 1 颗粒相堆积体积 37 ml 500 500 动网格 有 无 时间步长 s 0 001 0 001 计算时间 s 6 25 2 2 湍流动能 first order upwind first order upwind 湍流模型 K Epsilon 38 K Epsilon 西安理工大学硕士学位论文 20 图 3 3 正立上行床固相颗粒体积分数轴向分布 Fig 3 3 Riser axial distribution of solid particle volume fraction 如图 3 3 所示 因为仿真初始条件是对颗粒相设置堆积在流化床底部 结合图 3 4 可以明显的得到 在 5 个取样截面的体积分数在 0 6s 之后颗粒相的在上升床的分布已经 均匀稳定 因此可以说明在这个时间之后流化床颗粒相已经循环起来 从图 3 5 中可以 明显观察到 各个采样界面轴向速度达到稳定状态 因此在后续研究非定常状态时 采 样时间点应该避开紊乱阶段 颗粒相受到三个力作用如式 3 7 自身重力G 气相的浮力y F 以及曳力 d F 当三力 平衡时 即 yd FGFFma 3 7 0 500 751 001 251 501 752 002 25 0 1 2 3 4 5 6 volume fraction time s 2750mm 2500mm 2250mm 2000mm 1750mm 图 3 4 正立状态固相颗粒体积分数随时间变化规律 Fig 3 4 Upright volume fraction of solid particle with time Y X time s 0 6 1 0 1 4 1 8 2 2 0 particle volume fraction 15 3 循环流化床的数值模拟 21 0 500 751 001 251 501 752 002 25 2 3 4 5 6 axial violence m s 1 time s 2750mm 2500mm 2250mm 2000mm 1750mm 图 3 5 正立状态固相颗粒轴向速度随时间变化规律 Fig 3 5 Upright axial velocity of solid particle with time 气固两相的浮力作用表达式为 ypg FV g 3 8 由图 3 4 可以观察到 在稳定区时 取样截面颗粒体积分数变化趋于平稳 可以判 定此时循环流化床中固相颗粒已经达到循环状态 同时从图 3 6 3 7 中两个曲线规律图 中可以得出结论 随着床体高度上升 体积分数出现下降趋势 最后趋于平缓 与文献 39 40 中固含率随床高下降的理论吻合 3000 2750 2500 2250 2000 1750 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 volume fraction sample section mm upright 图 3 6 正立状态时均体固相颗粒积分数随采样截面变化规律 Fig 3 6 Upright averaged volume fraction of solid particle with section 西安理工大学硕士学位论文 22 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 average axial velocity m s 1 sample section mm upright 图