流化床洁净燃烧中颗粒速度脉动异性及反应性矩模型研究

Considering the effects of anisotropy characteristic of reactive particles during the flow and chemical reaction process, the moment method of reactive particles is developed for the combustion process in fluidized beds. The mechanism of collision and dissipation of particles and the impact of turbulence on particles behaviors are studied. The anisotropy of velocity fluctuation of particles is revealed during the chemical reactions. The distributions of velocity and concentration, and the fluctuation characteristics of the particles are experimentally obtained by means of high-speed video camera and measurement techniques. The gas analyzer is used to monitor the pollutant emissions. On the basis of MFIX CFD code platform, the model is implemented for the combustion process in fluidized beds and validated by experimental data. The flow behaviors and fluctuation characteristics of particles are predicted for the combustion process in fluidized beds. The law of pollutants emissions is obtained, and the influence of different parameters on the combustion process is analyzed. The moment method of reactive particles can describe more accurately the fluctuation behaviors of particles for the combustion processes and provide the theoretical foundation for the development of clean combustion technology in fluidized beds.

本项目以流化床燃烧过程为研究对象，考虑颗粒在流动与反应过程中的运动特性，建立反应性颗粒矩模型，研究流动与反应过程中颗粒碰撞耗散机理及湍流效应对颗粒运动的影响，揭示流化床燃烧过程中颗粒速度脉动各向异性规律。采用CCD高速摄像仪和ECT电容层析成像测量技术测量颗粒脉动速度和浓度分布，实验研究颗粒速度脉动特性和浓度对颗粒速度脉动影响。采用气体分析仪监测流化床污染物排放过程，分析反应性颗粒运动对污染物排放的影响规律。在MFIX软件平台上数值模拟流化床燃烧过程，模拟结果与实验数据对比，验证和完善理论模型。模拟研究流化床燃烧过程反应性颗粒的速度脉动特性，预测污染物排放规律，分析不同参数对燃烧过程的影响。反应性颗粒矩模型准确地表述了流化床燃烧过程中颗粒速度脉动各向异性规律，为流化床洁净燃烧技术的研究奠定了一定的理论基础。

气固两相流的流动与反应现象普遍存在于能源、化工、电力等领域，一个典型的工业应用就是流化床反应器。本项目采用大涡模拟方法模拟气相湍流，推导了考虑气固相间作用影响的气相亚格子湍动能方程，建立了亚格子湍动能模型。颗粒相考虑了颗粒速度脉动各向异性，采用颗粒速度脉动二阶矩模型。对于气固相间作用，不但考虑了气固相间作用力影响，而且补充了气固相间二阶脉动能量作用的影响，类比Simonin模型，通过气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递来封闭气固相间作用二阶模型。考虑气相湍流、颗粒相速度脉动各向异性及气固相间的一阶与二阶相互作用建立了气相大涡模拟-颗粒相二阶矩双流体模型（LES-SOM Model）。将LES-SOM模型拓展到反应领域，补充了组分方程和能量方程，同时考虑了反应过程中气相与颗粒相质量改变对流动的影响。将涡耗散概念（Eddy Dissipation Concept, EDC）反应模型思想应用于气相大涡模拟反应中，通过比较亚格子过滤尺度与微细结构尺度的大小关系，在微细结构上建立亚格子反应模型进行封闭。通过对流化床燃烧过程中反应性颗粒的速度脉动特性研究，总结了流化床燃烧过程中颗粒速度脉动各向异性规律，为流化床洁净燃烧技术的研究奠定了一定的理论基础。.应用LES-SOM双流体模型分别对低质量流率和高质量流率提升管内气固两相流动特性进行数值模拟。与Jiradilok等低质量流率情况和Herbert等高质量流率情况的实验数据吻合均较好。应用LES-SOM双流体模型，对流化床内煤颗粒的流动燃烧过程进行数值模拟。模拟结果给出了煤燃烧过程中煤颗粒与脱硫剂颗粒的浓度、速度、颗粒速度脉动二阶矩及雷诺应力型二阶矩分布规律，并对不同组分速度脉动各向异性进行了研究。考虑了高颗粒浓度下的摩擦应力影响，将LES-SOM双流体模型应用于鼓泡流化床内生物质木材颗粒的气化过程。建立了生物质气化反应模型，比较了气相亚格子反应模型对气化过程模拟结果的影响，模拟得到的出口处各气体组分含量在实验数据允许范围内。分析了鼓泡床内气泡的存在对流动与反应的影响。通过对流化床燃烧过程中反应性颗粒的速度脉动特性研究，总结了流化床燃烧过程中颗粒速度脉动各向异性规律，为流化床洁净燃烧技术的研究奠定了一定的理论基础。