应用DSMC随机性方法研究循环流化床上升管内超细颗粒聚团流动特性

将稀薄空气分子动力学中模拟气体分子运动和碰撞过程的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)随机性方法应用到流化床内超细颗粒聚团运动和碰撞过程的模拟中。建立非等直径聚团碰撞概率计算模型、非等直径聚团碰撞动力学模型、聚团曳力计算模型。应用考虑聚团脉动流动影响的大涡模拟（LES）方法研究气相湍流，建立考虑气相-聚团相双向耦合作用的欧拉-拉格朗日随机性离散颗粒模型。研究气相-聚团相相间作用机理，聚团聚合和破碎机理以及运行条件和颗粒物性对聚团速度、浓度、尺寸分布特性的影响。同时，在冷态循环流化床试验台上，应用光导纤维颗粒速度、浓度测量仪研究超细颗粒聚团速度和浓度分布特性。应用扫描电子显微镜（SEM）研究超细颗粒聚团的尺寸分布特性。实验结果用以验证所建模型的正确性。本课题的研究将为应用随机性方法研究流化床内超细颗粒气固两相流动特性奠定理论基础。

本课题考虑了超细颗粒间的范德华粘性力对颗粒运动和碰撞动力学的影响，采用大涡模拟方法研究气相湍流，采用直接模拟蒙特卡罗方法研究颗粒间的碰撞过程，数值模拟颗粒直径为1µm的超细颗粒气固两相流流动特性。建立了超细颗粒运动和碰撞解祸模型，模型中考虑超细颗粒间范德华粘性作用力的影响。采用LES-DSMC方法研究超细颗粒气固两相流流动特性。数值模拟结果展现出了超细颗粒特有的气相一团聚物相两相流态化形态，流化过程中团聚物呈现出枝状，条状，链状，球状等形态。研究了不同Hamkaer常数和颗粒碰撞弹性恢复系数对两相流流动特性以及团聚物生成频率和时间份额的影响，结果表明，它们均对超细颗粒气固两相流流动特性产生影响，在数值模拟中不可忽略。由快速傅立叶变换得到的瞬时颗粒浓度波动的主频范围为4-15Hz。应用小波多尺度分析研究瞬时颗粒浓度的变化，得到了团聚物生成频率的分布特点，结果表明，壁面区域团聚物生成频率为7-12Hz，中心区域为6-10Hz。.本课题用实验的方法研究了5.181µm SiO2流态化特性。测量了其最小流化速度，通过床层塌落实验研究了流化质量和流化机理。使用2D PIV（Particle Image Velocimetry）测量了流化聚团的直径尺度分布。实验说明，超细颗粒能形成一种类似于液态的，少气泡、均匀的流态化，并具有较高的膨胀率。本课题总结到，在黏性力的作用下，任意流化状态下，一定存在最小聚团。随着聚团直径的增大，动力学作用会成为影响流化聚团的主要因素。同时，推荐最大聚团直径计算临界流化速度。