细长粒子气-固两相流多向耦合模型构建研究

Cylindrical particle gas-solid two-phase flow is a complex multi-phase system mainly composed by cylindrical particles and flow field, and has high nonlinear mechanical properties. To establish an accurate and effective multi-phase coupling model of cylindrical particle gas-solid two-phase flow is the basis of numerical simulation of cylindrical particle gas-solid two-phase flow and obtaining the behavior parameters of two-phase system, such as velocities, collision, agglomeration of cylindrical particles and the pressure, velocities of flow field. The object plans to establish a gas-solid double-coupling numerical simulation platform of cylindrical particle two-phase flow based on solid-gas coupling algorithm, high-efficient grid search scheme and grid correspondence technology; The object plans to build a numerical simulation platform of cylindrical particles/spherical particles mixed two-phase system by building a coupling model between cylindrical particles and spherical particles; The object plans to establish a Lattice-Boltzmann direct numerical simulation platform of cylindrical particle gas-solid two-phase flow by integrating Lattice-Boltzmann method combined with double-equations model and Lattice-Boltzmann direct numerical simulation of gas-solid two-phase flow. Through this object, a more perfect multi-phase coupling numerical simulation platform of cylindrical particle two-phase flow will be established, and a new innovative research method and will be formed.

细长粒子两相流是以细长形的固相粒子与流场为主体构成的复杂的多相体系，具有高度的非线性力学性质。构建准确有效的细长粒子两相流多相耦合模型是进行细长粒子两相流数值研究，获取细长粒子两相流体系中细长粒子的运动、碰撞、团聚，流体的压力、速度等各项两相流特征参数的前提和基础。本课题拟基于气-固两相流的固-气耦合算法，采用高效网格搜索方案及网格对应技术，构建细长粒子两相流气-固双向耦合数值模拟平台；拟通过构建细长粒子-球形粒子相间耦合模型，构建细长粒子/球形粒子混合两相流体系数值模拟平台；拟通过将与双方程模型结合的格子Boltzmann方法与气-固两相流的格子Boltzmann直接数值模拟算法相结合，构建高雷诺数湍流细长粒子两相流的格子Boltzmann直接数值模拟平台。通过本研究，有望形成较完善的细长粒子两相流多向耦合数值模拟平台，从而在细长粒子两相流理论研究中形成具有创新性的研究方法和研究手段。

细长颗粒的流化在工农业生产中有非常广泛的应用，如生物质秸杆流化床燃烧，烟丝在流化床里的干燥或加湿，药品在流化床里的包衣等。在进行细长颗粒两相流理论及数值研究时，很多情况下将细长颗粒抽象为球形颗粒。这样处理导致的误差在有些情况下是可以接受的，但在很多情况下是不可以接受的。由于细长颗粒既有位置参数，又有姿态参数，因此它的模型构建相对球形颗粒难度大很多。目前，细长颗粒两相流的理论研究仍很不成熟，许多问题有待解决。本课题首先基于拉格朗日时间尺度与 模型的耦合关联式构建起运动的细长颗粒与与湍流之间的双向耦合关系；通过构建基于细长颗粒离散单元的颗粒间碰撞监测模型，从而改进基于硬球模型、刚体碰撞动力学构建的细长颗粒间碰撞模型。从而构建起多向耦合的湍流－细长颗粒两相流数学模型。实验研究很好地验证了所构建模型的可靠性与准确性。在此基础上对某一循环流化床内的细长颗粒两相流动进行了数值研究，并对两相流场中的湍流流变特性、细长颗粒的流化取向分布特征以及细长颗粒的速度、角速度分布特征进行了分析研究。研究表明：（1）沿水平轴线方向上，空气场四周区域的体积分数小于中心区域的体积分数，并且体积分数分布具有较强的随机性。（2）随着提升管内颗粒数量的大量增加，当地空气场的静压强会有明显的下降，并且，体积分数越小的区域，当地静压强会有突降。（3）湍流空气场速度沿径向呈中间均匀，而近壁处则由于粘性支层的原因而急速下降直至与壁面速度相同分布，并且，有细长颗粒停留的区域当地速度会有较为明显的下降。（4）沿高度向上，大量细长颗粒的存在一方面会导致当地速度梯度增加，从而导致该高度上的湍动能增加，另一方面又会消耗一部分当地湍动能，从而导致当地的湍动能产生突降。湍动能的变化是两种影响因素共同作用的结果。（5）在流化床提升管内由径向中心区域到近壁区，细长颗粒的取向分布越趋明显，近壁区受壁面约束影响，以0°-15°章动角姿态流化运动的细长颗粒的数量最多，其它径向区域则以15°-30°章动角姿态流化运动的细长颗粒的数量份额为最高。（6）在流化床提升管内，由床层底部到提升管出口处，细长颗粒的取向分布越趋明显，并且以30°-45°章动角姿态流化运动的细长颗粒越来越多，并在提升管出口处达到最大值。该项目的研究进一步完善了细长颗粒两相流理论研究体系，也为细长颗粒循环流化床工业应用提供了有益的理论支持及指导。