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煤粉燃烧气固两相流反应模拟的经验探讨

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发表于 2015-10-8 14:10:23 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 上海宝山区
本帖最后由 spint2004 于 2015-10-14 13:19 编辑

煤煤粉燃烧问题属于气-固两相流及多反应的计算体力学(CFD)问题。 目前在主流计算体力学Fluent 软件中,使用的是两套经典 -固多相流研究 方法:
欧拉法和拉格朗日法。

(1)欧拉法,又称双流体模型(TFM)
欧拉法的基本假设,是将流化的固体颗粒也认为是一种拟流体,并且与气相流体相互穿透,以颗粒体积分数表征颗粒含量,采用颗粒动理学理论的颗粒应力方程计算颗粒间作用力,发展了许多基于拟流体假设的气-固相间曳力模型。欧拉法奠基于经典流体力学理论,算法成熟,计算量小,被研究人员广泛采用,并且极大的推动了流化问题的理论研究。然而,由于欧拉法将固体颗粒作为拟流体处理的基本假设具有天生的局限性,随着研究深入,已经很难满足当前的研究需要,主要体现在:

. 无法模拟真实的颗粒粒径分布:欧拉法只能计算一种或很少的几种具有代表性的粒径,真实工业过程的粒径分布非常复杂,难以选出有代表性的粒径。

. 气-固相间作用力计算复杂且准确度低:不能模拟真实粒径分布,就难以准确计算气-固相间作用力,进而难以准确计算颗粒流化状态。

. 颗粒层级多相反应描述困难:颗粒本身的性质,如粒径、组分等,直接影响其发生的反应,而欧拉法无法对颗粒的反应过程进行追踪。

. 化学反应模型限制:Fluent中选择多相流模型后,很多化学反应模型是不可用的,这种兼容性问题严重的影响了Fluent在多相化学反应模拟领域的应用。

. 计算效率:欧拉法将颗粒处理为拟流体直接导致了计算效率的减低。


(2)拉格朗日法,即离散相模型(DPM)。
拉格朗日法是真实考虑颗粒离散特性的研究方法,对每一个颗粒的运动都进行准确的计算。可正是因此,拉格朗日法的应用受到了极大的限制:
. DPM离散相模型局限:直观上忽略了颗粒本身的大小,仅仅在计算气-固相间曳力及颗粒反应时考虑了粒径因素,而且认为颗粒间没有碰撞,颗粒对流场无影响。而实际设备中颗粒流体之间是紧密耦合相互作用的

. DPM离散相模型适用范围有限:只能应用在颗粒含量非常小(小于10%)的稀相系统中,对于颗粒体积分数较高的情况,颗粒间的碰撞频率极高,采用该方法计算碰撞将不再可能。因此,不适合模拟液-液混合、循环流化床及任何次级相体积分数不能忽略的问题,而这正是实际设备中经常关注的问题。

. 化学反应:由于不能准确模拟真实的颗粒流体行为,直接导致了不能揭示设备中的化学反应规律,如化学反应速率会受到颗粒流化状态的影响等。


2、CFPD方法介绍
CPFD技术借鉴了MP-PIC(multiphase particle-in-cell)方法,通过将具有相同属性如粒径、密度等的真实颗粒打包为“计算颗粒”,对颗粒相进行了双重处理,即颗粒既被视为是连续介质,也被视为是离散体。将颗粒应力梯度(在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算)处理成流体网格上的梯度,然后插值到离散颗粒体上;而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子,这种算子计算速度高,且可以保证全局及局部的守恒。这样,CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的;更重要的是,颗粒相和流体相隐式的耦合起来,为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。


最近了解到一款CPFD的软件Barracuda,是用CPFD计算方法做的,试用了一下做了简单的多相流,结果还不错,欢迎大家和我探讨。
欢迎大家和我探讨有关

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 楼主| 发表于 2015-10-14 13:21:08 | 显示全部楼层 来自 上海宝山区
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补充个图{:soso_e113:}
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发表于 2015-10-14 16:41:21 | 显示全部楼层 来自 浙江宁波
谢谢楼主的信息,学习了。想请教一下,立式废碱液焚烧炉的燃烧模拟,用哪种模型比较合适。废碱液介质本身颗粒含量较低。但燃烧后应该会产生一些结晶颗粒。
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发表于 2019-12-31 11:47:58 | 显示全部楼层 来自 中国
楼主,关于煤粉燃烧,有没有相关的算例可供参考,谢谢!
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