气流床煤气化炉数值模拟及颗粒—涡团作用建模研究

【摘要】： 为系统地采用数值方法研究气流床煤气化炉的运行特性,本文基于简化PDF方法对气流床煤气化炉建立三维数值模型,并对一台Texaco气化炉和清华大学分级气化炉进行了数值计算。通过对主要子模型进行评估、对预测结果同测试值进行比较、以及定量分析采用单组分简化PDF模型带来的误差,完成了对三维模型的模型验证和数值计算检验(Validation and Verification)。针对雷诺时均法(RANS)在耦合湍流-颗粒运动、湍流-化学反应时存在的理论欠缺,本文采用低维度湍流模型结合RANS方法解决这一困难,为此在一维湍流模型(ODT)基础上提出一种颗粒-涡团作用模型,模拟了平面自由射流中颗粒在亚尺度网格下的扩散过程。全文主要结论如下。 (1)选取六面体贴体网格以及1/4炉体作为计算域能够达到节省计算时间和保证计算精度的最优效果;在三维复杂网格情况下,RSM模型受网格质量影响较大,Realizable k-ε模型适合用于对气流床煤气化炉冷态流场的计算。 (2)基于单组分简化PDF方法的三维数学模型合理预测了一台Texaco气化炉和清华大学分级气化炉的出口组分及运行特性。气化炉中碳转化率80%的区域内,简化PDF模型由于平衡假定、预设PDF形状以及煤气化过程中各元素均匀释放假定所造成的计算误差在10%以内。 (3)ODT模型可再现平面自由射流的自相似性以及雷诺应力Reuu和Revv的分布特性,能够准确预测射流半宽及轴向速度衰减;预测结果显示涡团集中分布在射流剪切层上,涡团发生概率最大点的分布同射流半宽分布相吻合。 (4)对颗粒在平面自由射流中扩散过程的计算结果表明,颗粒在扩散过程中会发生团聚现象;粒径与颗粒扩散程度成反比,小颗粒的质量流率在近喷嘴处为Gaussian分布,大颗粒质量流率在近喷嘴处呈现双峰分布,接近充分发展段才为Gaussian分布。这是因为模型中考虑了射流卷吸作用以及涡团扰动两种影响颗粒扩散的机理,在近喷嘴处射流卷吸作用对大颗粒运动起决定性作用。 (5)受颗粒自身惯量和涡团作用的影响,St≈1的颗粒对涡团作用最为敏感。 【关键词】：气流床煤气化炉 简化PDF模型 数值模拟 ODT模型 颗粒-涡团作用
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ541
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-16
• 第1章 引言16-48
• 1.1 论文研究背景16-17
• 1.2 气化炉数值模拟综述17-23
• 1.2.1 气化炉建模的几类方法17-19
• 1.2.2 气流床煤气化炉多维模型研究现状19-23
• 1.3 数学模型综述及各子模型比较23-38
• 1.3.1 气相湍流流动数值模拟的层次24-26
• 1.3.2 气粒两相流动的不同处理方法26-28
• 1.3.3 DPM 方法中颗粒-湍流的相互作用28-29
• 1.3.4 辐射传热计算29-30
• 1.3.5 水煤浆液滴蒸发及脱挥发分模型30-31
• 1.3.6 焦炭异相反应模型31-33
• 1.3.7 RANS 框架下的同相湍流反应模型33-37
• 1.3.8 渣的生成及渣层模型37-38
• 1.4 建模中其他要注意的问题38-41
• 1.4.1 压力对气化过程的影响38-40
• 1.4.2 数值模拟可信度分析—模型验证和数值计算检验40-41
• 1.5 本课题研究任务及论文内容安排41-48
• 1.5.1 本课题研究对象和研究重点41-44
• 1.5.2 气流床气化炉整体数学模型的建立方法44-46
• 1.5.3 论文结构安排及主要内容46-48
• 第2章 气化炉冷态流场的数值模拟48-65
• 2.1 受限射流经典理论及气流床煤气化炉冷态实验研究48-51
• 2.1.1 湍流自由射流经典理论48-49
• 2.1.2 受限射流的经验理论及相似准则49-50
• 2.1.3 气流床冷态试验研究50-51
• 2.2 气化炉冷态流场数值模拟的基本数学方法51-53
• 2.2.1 数值模拟研究对象51
• 2.2.2 计算控制方程51-53
• 2.2.3 计算域、差分方法及边界条件53
• 2.3 喷嘴简化对气流床气化炉数值计算结果的影响53-55
• 2.4 网格、计算域及边界条件对冷态流场计算的影响55-57
• 2.4.1 网格选取55-56
• 2.4.2 网格、计算域及边界条件对计算结果的影响56-57
• 2.5 应用于气化炉冷态数值模拟不同湍流模型的比较57-61
• 2.5.1 常用于工程中的湍流模型57-58
• 2.5.2 不同湍流模型对网格的敏感性58-60
• 2.5.3 不同湍流模型预测高速受限射流的准确性比较60-61
• 2.6 颗粒源项对气相流场的影响61-62
• 2.7 二次给氧对冷态流场的影响62-63
• 2.8 本章小节63-65
• 第3章 对气流床煤气化炉基于简化 PDF 模型的数值模拟65-106
• 3.1 基于简化PDF 方法的三维数学模型建立65-75
• 3.1.1 热态模型的基本简化及假设65-67
• 3.1.2 混合分数的定义及其同温度、组分浓度等标量的关系67
• 3.1.3 简化PDF 方法对湍流-化学反应的耦合67-69
• 3.1.4 煤浆颗粒运动方程69-70
• 3.1.5 煤浆颗粒蒸发、沸腾和传热过程70-71
• 3.1.6 煤颗粒的脱挥发分及膨胀71-72
• 3.1.7 煤焦颗粒的异相反应72-73
• 3.1.8 煤浆颗粒质量源项同混合分数源项间的关系73-74
• 3.1.9 气化炉内的辐射传热74
• 3.1.10 模型总体算法74-75
• 3.2 基于Gibbs自由能最小的平衡反应模型75-78
• 3.2.1 平衡反应模型算法75-76
• 3.2.2 平衡模型对气化过程的计算及模型验证76-78
• 3.3 采用简化PDF模型对Texaco气化炉的数值模拟78-94
• 3.3.1 气化炉结构、气化用煤及其动力学参数78-79
• 3.3.2 网格、边界条件及数值计算步骤79-83
• 3.3.3 简化PDF 模型对湍流-化学反应耦合的预测效果分析83
• 3.3.4 气化炉内温度、主要组分的分布特性83-87
• 3.3.5 气化炉热态条件下相似准则适用性87-89
• 3.3.6 煤焦气化过程分析及颗粒的运动轨迹89-92
• 3.3.7 煤浆浓度及O/C 摩尔比对气化炉运行的影响92-94
• 3.4 对分级给氧气化炉的数值模拟94-101
• 3.4.1 气化炉结构、气化用煤及其动力学参数95-96
• 3.4.2 网格、边界条件及数值计算步骤96-98
• 3.4.3 分级给氧对气化过程的影响98-101
• 3.5 单组分简化PDF 模型模拟气流床气化炉的误差分析101-105
• 3.6 本章小结105-106
• 第4章 气化炉运行特性及其时间/空间尺度106-116
• 4.1 气化炉中流动和反应的特征尺度106-110
• 4.1.1 气化炉中与流动相关的尺度计算106-109
• 4.1.2 气化炉中与化学反应相关的尺度计算109-110
• 4.2 气化炉内不同区域的混合与反应特性110-113
• 4.2.1 火焰区的时间尺度和空间尺度111-112
• 4.2.2 非火焰区的时间和空间尺度112-113
• 4.3 改进方案提出113-116
• 第5章 ODT 模型对平面自由射流中颗粒扩散现象的模拟116-155
• 5.1 ODT 数学模型的建立116-125
• 5.1.1 ODT 模型介绍116-118
• 5.1.2 涡团内的湍流混合过程118-121
• 5.1.3 涡团发生的判断121-124
• 5.1.4 网格处理124-125
• 5.2 ODT 模型中对颗粒相的考虑125-139
• 5.2.1 基本假设及坐标变换125-129
• 5.2.2 颗粒-涡团作用模型的提出129-132
• 5.2.3 颗粒轨迹积分方程及计算方法132-133
• 5.2.4 颗粒-气相的双向耦合算法133-134
• 5.2.5 对颗粒信息的统计方法134-135
• 5.2.6 模型总体算法135-139
• 5.3 颗粒在平面自由射流中扩散过程的数值模拟139-153
• 5.3.1 计算域、初始条件及边界条件139-140
• 5.3.2 ODT 模型主要参数确定方法140-143
• 5.3.3 平面射流的气相流场结果143-145
• 5.3.4 气相流场的湍流信息145-147
• 5.3.5 颗粒在平面射流中的团聚和扩散147-149
• 5.3.6 粒径对颗粒扩散的影响149-151
• 5.3.7 颗粒-涡团作用对颗粒扩散的影响151-152
• 5.3.8 颗粒源项对气相流场的影响152-153
• 5.4 本章小结153-155
• 第6章 全文总结155-159
• 6.1 本文主要结论155-157
• 6.2 本文主要创新点157
• 6.3 未来工作展望157-159
• 参考文献159-170
• 致谢170-171
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果171-172

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