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摘 要

基于颗粒动理学理论，本文采用欧拉-欧拉法，对双喷口平底喷动流化床建立二维三相模型，研究喷动流化床中流场发展形态、气体速度的分布、颗粒体积浓度分布、颗粒轴向速度和径向速度分布；研究二元颗粒混合物混合与分离的机制；改变喷射口间距，喷动风速度和颗粒体积率，研究其对颗粒混合与分离的影响。结果表明，喷动流化床中具有明显的三区划分：喷动区、环隙区和喷泉区。颗粒浓度在环隙区浓度较高，在喷泉区和喷射区浓度较低。颗粒浓度分布与颗粒速度和气体速度的分布具有关联性。颗粒混合的主要推动力是颗粒的内循环。颗粒分离的主要原因是二元颗粒混合物速度滑移效应的累积。减小喷射口间距、提高喷动风速度和增加两种颗粒的体积率的差异，有利于喷动床中二元颗粒混合物的混合。

关键词：喷动流化床；三流体；数值模拟；混合；分离；流动特性

Three-phase simulation of the mixing and segregation of binary particle mixtures in a two-jet spout fluidized bed

03011222 Shao Yali

Supervised by Jin Baosheng

Abstract: Owing to its advantages on heat and mass transfer, fluidized bas been widely used in chemical industry, energy, environmental protection, food production and medical production. As a new type of fluidized bed ,spout fluidized bed can not only improve the fluidized state, but also prevent dead zone, so it’s very popular in industrial and agricultural industry。

Based on kinetic theory of granular flow and Euler-Euler method , a 2D three phase model is adopted to investigate a two-jet flat bottom spout fluidized bed. With the gas stream injected into the bed from the distributor and jet nozzles, the flow pattern, distribution of gas amp;solids, and axial amp; vertical velocities of particles are studied .The mechanism of mixing and segregation are also discussed in detail. In order to study the factors which influence the degree of mixing, the distances between two nozzles, the spout gas velocity and the volume fraction are changed in different cases. The results show that the spout fluidized bed can be divided into three regions: the spout region, the annual region and the fountain region. Compared with in fountain and spout region, the volume fraction of particles in annual region is relatively high. There are some correlations between the distribution of particles and velocity of gas and particle. The particle circulation in fluidized bed can be mainly responsible for particle mixing, while the accumulation of particle velocity slips is the main reason for particle segregation. By shortening the distance between two nozzles, increasing the spout gas velocity and increasing the difference of initial proportion between binary mixtures, the binary particle in the fluidized bed can be reached a well-mixed state.

Key words: spout fluidized bed; three phase flow; numerical simulation; mixing; segregation;

flow pattern

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1流态化 1

1.1.1.1流态化现象 1

1.1.1.2流态化技术的发展沿革及其工业应用 2

1.1.2计算流体力学（CFD） 3

1.1.2.1计算流体力学概述 3

1.1.2.2计算流体力学研究方法 3

1.1.2.3计算流体力学研究对象 4

1.2研究内容及意义 5

1.2.1研究对象 5

1.2.2前人的研究成果 5

1.2.2.1试验研究 5

1.2.2.2数值模拟研究 6

1.2.3本文研究目标与意义 6

1.2.3.1研究目标 6

1.2.3.2研究意义 7

第二章 喷动流化床模型 8

2.1控制方程 8

2.1.1连续性方程 8

2.2.2动量方程 8

2.2本构方程 8

2.2.1气相应力张量 8

2.2.2颗粒相应力张量 9

2.2.3径向分布函数 9

2.2.4颗粒相压力 9

2.2.5相间交换系数 10

2.2.6湍流模型 10

2.3边界条件及初始条件 11

2.3.1入口边界条件 11

2.3.2出口边界条件 11

2.3.3壁面边界条件 11

2.3.4初始条件 11

2.4模拟对象 11

2.5网格 13

第三章 喷动流化床流动规律 14

3.1流型 14

3.2气相分布规律 15

3.3颗粒相分布规律 16

3.3.1浓度分布规律 16

3.3.2轴向速度分布规律 17

3.3.3径向速度分布规律 18

3.4分离机理 19

3.5混合机理 21

3.6影响混合与分离的因素 23

3.6.1喷射口间距 23

3.6.2颗粒体积率 25

3.6.3喷动风速度 26

第四章 总结与展望 27

4.1全文工作总结 27

4.2全文创新点 28

4.3研究展望 28

致谢 30

参考文献 31

喷动床二元颗粒混合物混合与分离特性欧拉三相数值模拟

第一章 绪论

1.1研究背景

在现代能源化工食品等各行各业中，被作为能源、原料使用的固体颗粒中有大量是粒径很小甚至粉末状的颗粒^[1-4]。这些松散细微的颗粒在使用、运输和贮藏过程中有很多不方便的地方，利用一些工业手段使其呈现流体的状态能有效解决这些问题，这时固体所具有的状态称为流态化^{[3, 4]}。对于流态化的研究，主要有实验研究和数值模拟研究，由于计算机技术近年来发展迅速，利用数值模拟技术模拟流态现象越来越受关注。其中主要的数值模拟研究方法有欧拉法和拉格朗日法两种方法^[5]，采用这两种方法，结合实验，目前已经对流态化技术有了广泛而深入的研究。

1.1.1流态化

1.1.1.1流态化现象

流态化是一种使固体颗粒悬浮而具有流体某些特征的技术^{[3, 4]}。当流体自布风板进入床层时，流体流动过程中与颗粒间存在摩擦，因此流体通过床层时会存在压降^{[3, 4, 6-8]}。随颗粒流动速度的不同，床层结构的不同，会有不同的压降大小，由此形成不同种类的床层。这种现象称为流态化现象^[9]。

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