EMMS-based Meso-Scale Model and Its Application in Simulating Gas-Solid Two-Phase Flows

Abstract

气固两相流是个典型的非线性非平衡系统，呈现出复杂的时空多尺度结构。有关它的连续介质模拟方法，当前主流观点认为：在网格足够细的情况下，不考虑结构影响的双流体模型（Two-Fluid Model, TFM）也称为一般双流体模型（General Two-Fluid Model, GTFM），能准确预测非均匀流动的行为。而我们认为，必须将结构因素考虑到双流体模型中，建立介尺度结构模型，实现对曳力系数的修正，才能准确预测非均匀两相流动行为。上述争论实际上涉及两相流模拟的基本问题，有必要对它进行明确回答。 针对上述基本问题，我们开展了系统的数值实验（论文第二章）。首先针对与粗网格模拟中单个网格尺寸相当的双周期边界Geldart A类颗粒系统，采用GTFM模拟，发现计算结果随着网格的减小逐渐变化，约在10个颗粒直径尺寸时趋于稳定。将此结果应用于实际的提升管体系，不断细化网格直至网格足够小，发现模拟结果仍与实验值相差甚远；对于Gelart B类颗粒系统，也发现上述类似现象。相比较而言，采用基于EMMS的介尺度模型（EMMS/Matrix模型），针对周期边界系统的模拟表明计算结果与网格基本无关。而模拟实际的提升管系统时，发现即使采用较粗网格（只需保证满足一定的差分精度要求），预测的颗粒通量、轴径向浓度分布、径向速度分布以及介观结构变化都与实验观察吻合较好。基于上述结果可知，单纯细化网格并不可行，对于复杂的非均匀气固两相流动，必须建立合理的介尺度模型，而其中，EMMS/Matrix模型则是目前可达到网格无关的较理想模型。 论文第三章进一步简化了原EMMS/Matrix介尺度模型。基于严格的推导，非均匀结构因子HD的三个自变量（ug, us, εg）被简化成两个变量（uslip, εg）, 由此基础上，提出二步拟合法，对HD曲面进行了拟合。采用拟合公式（3%相对误差）取代原来的矩阵插值法，简化了与双流体模型的耦合。 EMMS/Matrix模型可以成功预测A类和B类颗粒的提升管系统的复杂流动，但却不适用于模拟典型的循环流化床锅炉（Circulating Fluidized Bed Bolier, CFBB），其主要问题在于团聚物方程。论文第四章分析了原团聚物方程的适用范围以及失效原因。通过调整输入能量的定义，使得改进后的团聚物方程也能适用于CFBB系统的计算，而原方程则是它的一个特例。方程预测的团聚物直径在固定通量下随着气速的增加而减小，在某个临界值后，又随着气速的增加而增大，体现了颗粒流体协调（particle-fluid compromise, PFC）和气体控制（fluid dominating, FD）的两种极值趋势的交替。采用新团聚物方程的模拟表明，出口通量、流型状态、各区浓度分布等主要监测数据都与实验值吻合较好。 对于循环流化床中典型的状态多值性行为―噎塞，论文第五章利用双流体模型结合基于EMMS的介尺度模型成功预测了实验室和工业尺度反应器中的A类颗粒流化系统中的这种典型现象。在此基础上，论文利用该模拟方法考察了提升管高度对噎塞的影响。模拟表明，噎塞区域随着提升管高度的增加而逐渐增大，而饱和夹带量和噎塞平台起点则维持不变。 论文第六章总结了本论文获得的主要成果，展望了本文的气固介尺度模型的前景以及进一步开展研究的方向