用激光相位多普勒技术测量循环流化床中的颗粒运动特性

用激光相位多普勒技术测量循环流化床中的颗粒运动特性吕清刚，杨涛，潘忠刚（中国科学院工程热物理研究所北京１０００８０）关键词：循环流化床，气固两相流动，激光相位多普勒颗粒动态分析仪１引言循环流化床燃烧装置已经得到了广泛的应用，但是由于流化床内的气固两相...     

动载下水平管内气水两相流流动特性

本文概要介绍了两流体模型及其控制方程,以及自主搭建的动载气水两相流系统实验台.利用气水两相流系统实验台旋转产生的动载条件进行了动载条件下气水两相流动实验,实时测量了空气和水的流量及试验段的压差,并在线测量了气水两相流动窄隙率.结果表明,过载对两相流动特性尤其足流量、压力和压降有显著影响.该研究结果在某种程度上有助于将两相流研究从自然状态扩展到载荷作用状态,同时为动载下气水两相流流动和传热的数值分析和理论研究打下一定基础.     

超声多普勒水连续油水分散流流速测量方法

针对水连续油水分散流流速测量问题,提出了一种基于连续波超声多普勒的测量方法。测量传感器主要由一对中心频率为1 MHz的压电陶瓷超声换能器构成。发射探头向被测流体中发射连续的超声波,受到流体内运动的分散液滴散射后的声波被接收探头接收。根据多普勒效应,发射声波和接收声波的频率差与测量区域内散射体的运动速度成正比。由于分散相和连续相之间存在相对滑动,因此利用漂移模型对最终结果进行修正。对漂移模型中的参数进行基于油水两相流实际流动状态的理论分析,并通过实验数据计算漂移速度。实验结果表明,该测量模型对流型的依赖性很高,且漂移速度随着含水率的变化而改变,通过测量数据对该测量模型进行修正,最终结果的相对误差小于5%。     

煤中痕量元素在低温燃烧下的分布规律

为了解流化床燃烧过程中痕量元素的分布与富集规律,以流化床燃煤过程为研究对象,在实验室的小型机理性试验台架上进行实验,研究了煤中痕量元素的排放特点。实验模拟流化床低温燃烧的特点, 6种典型煤分别在650℃、800℃、950℃三个工况下燃烧,分析得到Pb、Cr、Cd等痕量元素大部分留在灰中。Hg在灰中的富集规律不明显。     

基于非接触电导的气液两相流参数检测系统

研究了电容耦合式非接触电导检测技术(C~4D)应用于气液两相流测量的可行性,建立了一套基于非接触电导的毫米级气液两相流参数检测系统。利用所建立的系统,在内径为5 mm,9 mm的水平管上进行了气液两相流实验,获得了不同流型下的电导测量信号,并对段塞流、波状流、泡状流和环状流四种典型流型下的电导信号进行了分析与比较。研究结果表明,所建立的基于非接触电导的气液两相流参数检测系统是有效的,C~4D技术应用于气液两相流参数测量是可行的。不同流型下所获的电导信号特征均表现出明显差异,有望用于流型辨识。     

R134a闪蒸喷雾液滴动力学特征实验研究

闪蒸喷雾是典型的气液两相流动,在能源、化工、航天、医疗生物和食品生产等领域中应用非常广泛,对闪蒸喷雾形成的气液两相流中液滴粒径与速度的分布规律进行研究具有重要意义。本文搭建了闪蒸喷雾实验台,以R134a制冷剂为闪蒸喷雾工质,通过特定喷嘴形成闪蒸喷雾气液两相流。应用PDPA对闪蒸喷雾液滴直径和速度沿喷雾轴向方向和径向方向进行系统测量,拟合出了液滴轴向和径向无量纲速度沿径向无量纲距离变化的经验关联式。     

水平浓淡与上下浓淡煤粉燃烧方式气固混合特性的实验研究

本文针对四角切向燃烧锅炉燃用劣质煤时的稳燃及水冷壁高温腐蚀等问题,采用ＰＤＡ测量设备,对水平浓淡及上下浓淡两种煤粉燃烧方式下的气固两相混合规律进行了实验研究。实验表明,与上下浓淡煤粉燃烧方式相比,水平浓淡煤粉燃烧方式的气固两相流动特性使燃烧器在稳燃、低ＮＯｘ排放、防结渣、防高温腐蚀等方面具有优良的性能。     

基于间断有限元方法的焦炭燃烧直接模拟

焦炭燃烧是煤燃烧的重要过程,准确模拟焦炭燃烧,深入研究焦炭燃烧的物理规律,对于预测及优化煤燃烧过程有很大意义。间断有限元方法具有良好几何适应性和稳定性,是准确模拟气固两相流动问题的较好方法。然而该方法尚未应用于求解气固两相燃烧,且存在通量重构格式无法应用于动网格计算的问题。本文利用间断有限元方法进行空间离散,结合任意拉格朗日-欧拉方法处理动网格问题,进行了二维流场下焦炭颗粒燃烧过程的直接模拟,并将该方法应用于多个焦炭颗粒运动燃烧的计算,得到了较准确的结果,揭示了单颗粒及运动多颗粒焦炭燃烧过程中流场的变化规律。     

基于定量分析的气固两相流声速模型综述

声波法是多相流测量的一种有效方法,可靠的声速模型是其中时差法等测量的理论基础。该文系统总结了国内外不同学者所建立的气固两相声速模型。为直观地呈现其差异、发展与局限,该文以颗粒相浓度的影响为例,采用模拟计算和实验测量相结合的方法对其中不同典型声速模型进行了定量分析与比较。结果表明,传统的拟均相介质模型声速随颗粒浓度变化,与在其基础上考虑声波特性的改进模型,以及分别基于相间耦合和颗粒散射的声速模型差异均较大,且显著偏离实验测量值。其主要源于传统的拟均相介质模型未考虑两相间相对运动的影响;而考虑相间相互作用的声速模型间虽有不同差异,但均与实验测量值较为接近,根据稀相区实验研究,所得声速值均较实验值偏小。     

流化床锅炉气固流动特性数值模拟研究

流化床内气固两相流动是典型的Euler两相流模型,对其流动特性的研究,一直是多相流领域的热点和难点。计算采用CFD方法对流化床内Euler气固两相流动特性进行数值计算,在流化风速为5 m/s,初始填料高度为5 m,计算时间持续到50 s时,得到了流化床内的流动分布以及压力分布的规律。并且在其它参数不变的情况下,计算比较了颗粒直径为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm的工况,分析得到了颗粒直径的改变对Euler气固流动特性的影响并总结了相关变化规律。     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

循环流化床收集器内颗粒团聚流动特性的研究

基于气固两相流理论和气溶胶动力学原理,建立流化床收集器(CFBA)内气体细颗粒聚团气固两相双流体模型。对不同入口气体速度、初始颗粒尺寸分布和不同颗粒团聚形成机理下收集器内颗粒聚团流动的流体动力特性进行数值模拟。研究结果表明湍流运动和剪切作用对颗粒聚团的形成起主要作用,布朗运动对颗粒团聚形成的影响可忽略不计。吸收颗粒可有效提高捕获细颗粒和颗粒聚团形成的能力。     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

HEAT TRANSFER COEFFICIENTS FOR TUBES SUBMERGED IN CIRCULATING FLUIDIZED BED

Convective heat transfer coefficients were measured experimentally for a tube immersed vertically in a circulating fluidized bed. Circulating fluidized beds operate in the dilute transport regime of two-phase (solid/gas) flow. The dominant mechanism for heat transfer to surfaces is particle-induced convection. In this study, experiments were carried out in a circulating fluidized bed of15 cm diameter and 11 m height. An instrumented tube of 9.5 mm diameter and 1.3 m length was placed vertically at the centeriine of the fluidized bed to measure convective heat transfer coefficients at several different elevations in the bed. Three types of particles, with mean diameters ranging from 68 to 2S1 urn, were used in the experiments at superficial gas velocities in the range of 1.3 to 8.2 m/s. Results showed that the convective heat transfer coefficients with solid/gas two-phase circulation were two to three times greater than those for single-phase gas convection at the same velocity. For a given gas velocity, the coefficients increased with increasing solid mass flux, but decreased with elevation. It was demonstrated that the heat transfer coefficients for the immersed tube and for the bed wall could be correlated with different functional dependence on the two-phase suspension density.     

有旋和无旋气固两相湍流的不同结构

了解有旋和无旋突扩气粒两相详细湍流结构对控制燃料-空气混合、火焰稳定以及燃烧污染物生成很重要.周力行等曾经对其中的两相时平均流场和湍流特性进行过雷诺平均的RANS模拟和测量的研究,但是BANS模拟不能给出详细的两相湍流的瞬态结构.本文建立了二阶矩两相亚网格尺度应力模型,对有旋和无旋同轴突扩气粒两相流动进行了双流体大涡模...     

流化床内超细颗粒的流动

基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立超细颗粒气固两相湍流流动模型,模型考虑了气相与颗粒聚团之间以及颗粒聚团之间的动量和能量的传递和耗散。建立超细颗粒固相粘性系数、超细颗粒压力等物性参数计算模型。超细颗粒的聚团改变了单颗粒碰撞动力学以及颗粒相压力、粘性系数等输运特性。模型模拟计算颗粒聚团直径分布与Zhaolin等[1]实测值相吻合。     

旋涡流化床颗粒夹带和扬析的数学模型

本文结合气体湍流运动模型，颗粒运动的轨道模型和密相床层动力学的经验关联式，建立了旋涡流化床颗粒夹带和扬析的数学模型，发展了相应的求解程序。用本文提出的数学模型对普通鼓泡流化床中颗粒夹带的计算结果与前人的经验公式相符；对旋涡流化床和普通的鼓泡流化床颗粒扬析的计算结果与实验数据吻合较好。     

流化床风帽故障的声发射检测

针对气固流化床中风帽故障影响流化质量问题,本文提出一种能够快速精确地检测出风帽故障位置和类型的声发射检测方法;声发射技术是一种实时、在线、非侵入流场的声波检测方法,利用均匀安装在流化床分布板下方的声发射传感器进行定位测量;采集气固流化床内颗粒撞击分布板产生的声信号,对该信号进行多尺度小波包分解,找出特征频段,由各个测点声发射信号总能量对比可以直观反应风帽故障存在位置,而各尺度能量分率的变化能进行故障类型判断;这种实时测量方法能更早,更精确的对风帽破损情况进行准确的判断。     

Combustion of slugs of propane and air moving up through an incipiently fluidized bed

A mathematical model is proposed to show the evolution of temperature, chemical composition and energy release or transfer in slugs, clouds and particulate phase, in a fluidized bed where there are slugs, of a mixture of air and propane, moving up through the particulate phase previously set in the state of incipient fluidization with air. The analysis begins as the slugs are formed at the orifices of the distributor, until they explode inside the bed or emerge at the free surface. The model also makes the analysis of what happens in the gaseous mixture that leaves the free surface of the fluidized bed until the propane is thoroughly burnt. It is essentially built upon a simple quasi-global mechanism for the combustion reaction and the mass and heat transfer equations from the two-phase model of fluidization. The aim was not to propose a new modelling approach, but to combine classical models, one concerning the reaction kinetics and the other the bed hydrodynamic aspects, to obtain a better insight on the events occurring inside a fluidized bed reactor, enhancing the understanding of this type of reactor. Experimental data to balance with the numerical model were obtained through tests on the combustion of commercial propane, in a laboratory scale fluidized bed, using four sand particle sizes: 400–500, 315–400, 250–315 and 200–250 μ m. The mole fractions of CO₂, CO and O₂ in the flue gases and the temperature of the fluidized bed were measured and compared with the numerical results.     

Numerical investigation of aerodynamics in an apparatus with a circulating fluidized bed

A mathematical model and a numerical algorithm are proposed for investigation of aerodynamics in an apparatus with a circulating fluidized bed. The model is based on the basic assumptions of the theory of interacting interpenetrating continua and two-dimensional nonstationary Navier-Stokes equations. Calculations of the motion of a two-phase mixture in the laboratory apparatus were performed. The computational results are in good agreement with the experimental data.Scientific-Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics at Tomsk State University. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 4, pp. 63–68, April, 1993.