熔渣颗粒碰壁的相变沉积热过程模拟

离心粒化方法在高温熔渣余热回收方面具有结构紧凑、能耗低、得到的渣粒粒径小等优势。但受到粒化仓空间限制,会出现高温熔融渣粒碰撞、黏附在壁面的现象,影响装置运行的稳定性。本文针对该问题建立了熔融渣粒碰撞壁面的三维对称模型,结合VOF(流体体积)方法和凝固/融化模型来模拟熔渣动态形变和凝固换热过程。模拟得到,两个同粒径熔融渣粒在壁面上相继沉积会出现碰撞、铺展、回缩、飞溅、稳定的动态行为。进一步,讨论了熔渣初始温度和冷却风速对其形变和凝固换热的影响。结果表明,熔渣初始温度越小,铺展因数越小,凝固所需时间延长。而冷却风速(1~3 m/s)对熔渣碰壁过程中的铺展形变和换热的影响都很微小。     

粒化仓中高温渣粒流动换热特性的数值模拟

针对离心粒化后的高温熔渣颗粒在粒化仓中的流动换热过程,本文采用离散相模型及DO辐射模型对粒化仓内的气固两相流动和换热进行了二维瞬态数值模拟。主要研究了不同渣粒流量、渣粒直径及风速下粒化仓内温度分布规律和气固换热效果。结果表明:粒化仓中空气温度沿径向方向逐渐升高,颗粒与壁面碰撞区域为空气温度最大区域;颗粒的换热主要以辐射换热为主;减小颗粒直径是强化换热最有效的手段。     

风淬作用下液态熔渣的离心粒化

干式离心粒化余热回收工艺可用于处理液态熔渣,其装置简单、参数容易调节且得到的渣粒粒径小。针对该工艺粒化仓中的粒化环节,本文开展了液态熔渣含风淬作用的离心粒化数值模拟。通过剪切应力输运κ-ω模型处理湍流流动,VOF两相流模型追踪自由界面。模拟得到渣液含气淬作用的粒化过程,并进行有无气淬风作用下粒化情况的对比。发现气淬风的加入,可增加丝状分裂模式下的液丝数量,降低液丝长度。之后进一步开展了渣液黏度和流量的影响因素分析。结果表明,减小黏度,有利于增加小粒径渣粒的占比,但粒径分布会由正态分布转为M形分布;增加流量,会促进粒化模式由丝状分裂向膜状分裂转变,且粒径尺寸增大。     

冷却倾斜板熔体处理过程边界层分布及流动传热的理论研究

针对倾斜板熔体处理晶粒细化与半固态成形原理,研究了倾斜板熔体处理过程边界层分布,建立了熔体传热和冷却速率的计算模型.计算结果表明,随着斜板倾角和熔体初始流动速度的增大,熔体在倾斜板上从层流向紊流的转变时间减少;温度边界层厚度随着熔体初始流动速度的增加而减小,斜板倾角对温度边界层厚度的影响较小;温度边界层厚度和速度边界层厚度都随熔体流动距离的增加而增大,在层流区,温度边界层厚度远大于速度边界层厚度,而在紊流区,温度边界层厚度与速度边界层厚度重合;倾斜板上熔体冷却速率与熔体厚度成反比,初始流速小于1m/s时,熔体的冷却速率沿着倾斜板长度方向逐渐增大,初始流速为1m/s时,熔体的冷却速率沿倾斜板长度方向基本不变,当初始流速大于1m/s时,熔体冷却速率沿倾斜板长度方向逐渐减小;倾斜板上熔体冷却速率在100—1000 K/s之间,属于亚快速凝固范畴.     

强旋流燃烧中固体燃料沉积特性的模型化

在强旋流燃烧中,固体颗粒向壁面的沉积趋势急剧增强,高温下甚至发生附壁燃烧和熔渣流动等复杂现象。考虑到现有理论模型的缺陷,本文首先构建了相关的颗粒沉积、附壁燃烧和熔渣流动的子模型,并考察了在煤和木粉不同掺混比下,固体颗粒的沉积特性以及渣层的熔融特性。研究结果表明,在同样粒径时,木粉的沉积能力比煤粉弱很多,形成飞灰排放的趋势更加明显;与纯煤工况相比,适量木粉的添加,不但可以提高燃烧性能,同时也可以促使颗粒和沉积表面的快速熔化,有利于形成连续稳定的液渣层。本文的模型和数值模拟研究能够定量地反映出强旋流燃烧时的颗粒沉积规律,对于燃烧工程设计有一定的参考价值。     

镁颗粒群着火和燃烧过程数值模拟

建立了一维非稳态球形镁颗粒群的着火燃烧模型, 数值模拟镁颗粒群的着火和燃烧过程, 研究表明, 颗粒群着火首先发生在颗粒群边界, 随后初始的燃烧火焰会分离为两个, 一个向颗粒群内部传播, 一个向外部传播, 最终内部火焰消失, 外部火焰维持并控制着整个颗粒群的燃烧; 内火焰向颗粒群内部传播过程中, 传播速度会逐渐加快, 且火焰温度值呈逐渐降低趋势. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火燃烧的影响. 随颗粒浓度的增大, 颗粒群着火时间略有增长, 但火焰传播速度更快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也更大. 颗粒群初温越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度也会加快, 但燃烧稳定时火焰球尺寸基本不变. 环境温度对颗粒群着火燃烧的影响较复杂, 环境温度越高, 颗粒群着火时间越短, 但火焰传播速度却越慢, 燃烧稳定时火焰球尺寸变化很小. 颗粒粒径和辐射源温度对颗粒群着火燃烧的影响较显著, 颗粒粒径越小或辐射源温度越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度越快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也越大. 数值模拟结果与文献中试验结果相一致. 关键词： 粉末燃料冲压发动机 镁着火燃烧 颗粒群     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

气流床煤气化炉炉壁渣层流动与传热模拟

本文对气流床煤气化炉内高温合成气和渣层的流动、换热、相变过程进行了分析,在合理简化和假设的基础上建立了描述渣层流动、热质传递和相变的渣层数理模型.通过对气化炉内气固两相流和化学反应的模拟,得到灰渣颗粒在气化炉壁面的沉积率,进而对所建立的模型应用SIMPLE算法进行了求解,获得了气化炉壁面灰渣流动、传热和相变过程的数值模拟结果.结果表明:壁面温度对渣层厚度的影响较炉膛温度要大得多;当壁面温度不变时,炉膛温度增加,固态渣层厚度减少;炉膛温度不变时,壁面温度降低,固态渣层厚度增加.     

镁颗粒群非稳态着火过程数值模拟

建立了镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型, 数值模拟颗粒群中镁颗粒的着火过程. 研究表明, 当镁颗粒表面反应加剧之后,颗粒相温度急剧上升, 迅速达到着火, 而其周围气相的温升速率却远小于颗粒的温升速率; 在着火过程中气相温度只在颗粒表面附近升高比较明显, 整体温度升高不大. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火的影响. 随颗粒浓度的增加, 颗 粒群变得易于着火, 其着火时间变短, 但颗粒浓度增大到一定程度后, 继续增大该值将对颗粒群的着火起消极作用. 环境压力对颗粒群着火的影响比较小,在1-5 atm范围内颗粒群的着火性能基本不变. 气相中氧气浓度对颗粒群的着火性能影响也不显著, 但当氧气浓度过小时, 对着火过程的影响将大大增强.颗粒粒径、气相/颗粒相初温、辐射源温度对颗粒 群着火的影响巨大,小粒径、高温度促使颗粒群快速着火.数值模拟与文献中试验 结果的变化趋势相一致.     

镁颗粒-空气混合物一维非稳态爆震波特性数值模拟研究

镁颗粒因其能量密度高、点火特性和燃烧效率好的优势,作为燃料或添加剂应用于爆震燃烧动力系统具有广阔的应用前景.本文建立了镁颗粒-空气混合物的一维非稳态爆震波模型,数值模拟爆震波传播过程及其内部流场分布.研究结果表明,爆震波传播过程中爆震波压力峰值和空间分布均存在小幅度波动.考虑燃烧产物氧化镁在颗粒表面的沉积过程,镁颗粒的反应速率和爆震波的稳定传播速度增大.在考虑爆震管壁面损失的前提下,随管径减小,爆震波稳定速度和厚度均减小,同时爆震波内未能反应的镁颗粒比例增大.考虑壁面损失条件下,爆震波稳定传播速度以及厚度均随颗粒初始粒径的增大而减小,且镁颗粒初始为双粒径分布时对应的爆震波速度和厚度明显低于镁颗粒初始为统一单粒径的工况;稳定传播速度随颗粒初始当量比的增大而先增后减,厚度随初始当量比的增加单调递减. MgO熔化发生在CJ平面附近时, MgO熔化过程对爆震波传播稳定性无明显影响,而爆震波厚度显著增大.选取适当的点火区参数,能够使爆震波达到稳定传播状态所经历的距离明显缩短.