基于亚颗粒尺度的燃料颗粒群燃烧机理

颗粒群的流动、传热和反应行为及其与流场的相互作用是多相反应流体力学的重要内容。国际上以往对该问题的研究思路主要采用颗粒为点源形式进行处理，本研究将在更深层次和更小尺度上开展研究，以期获得微观深入的机理认识。本项目在亚颗粒尺度上研究燃料颗粒群燃烧过程，对于揭示颗粒群内复杂的相间相互作用以及获得燃烧过程细观规律与机理具有重要的理论意义。研究内容包括：基于颗粒为有限体积的多相燃烧直接数值模拟方法，包含动量传递、传热传质以及化学反应的相间相互作用规律与模型建立，多相反应流的内在机理研究。有望取得原创性的成果主要有：可用于多相燃烧模拟的真正直接数值模拟方法；准确的相间相互作用规律与模型；多相流与组分扩散、化学反应之间相互作用机理与规律。上述研究成果为发展工程两相燃烧模型提供必要的理论依据。预计发表高水平论文6篇以上，培养研究生2～3人。

本项目在亚颗粒尺度上研究多相反应流动过程，以揭示颗粒群内复杂的相间相互作用以及获得反应过程细观规律与机理。研究内容及取得的成果包括：. 1）基于颗粒为有限体积的多相反应流直接数值模拟方法研究：针对有限体积颗粒运动问题，提出了基于N-S方程的有网格或无网格多相反应流直接数值模拟方法，配合ALE算法跟踪与处理颗粒表面节点，并获得了性能稳定的计算方法。我们所提出的无网格方法、基于移动网格的高精度间断有限元计算方法以及基于虚拟区域的固定网格计算方法均实现了多相流动直接数值模拟；在计算精度上，基于移动网格的高精度间断有限元计算方法具有4阶计算精度，高于无网格方法与虚拟区域法，且具有较好的计算稳定性；在计算量方面，针对相同的计算网格尺度，虚拟区域法具有一定的优势。. 2）颗粒群内相间相互作用机理研究：传统曳力模型难以准确计算颗粒非均匀分布的问题。我们采用了可考虑颗粒碰撞的无网格多相流直接数值模拟方法开展了非均匀颗粒分布对曳力模型的影响研究。通过引入颗粒非均匀分布系数，建立了考虑颗粒非均匀分布修正的曳力模型。在大规模的多颗粒直接数值模拟基础上，发现了在相同颗粒数目以及体积份额的条件下，颗粒分布对相间曳力具有重要的影响，且不同方向的非均匀分布影响规律不同，大多数情况下可用垂直来流方向的颗粒分布来表征流场内的非均匀分布。考虑颗粒的非均匀性修正后，能更准确地反应曳力系数的动态变化过程，从而使数值模拟的结果更为可靠。. 3）多相反应流的内在机理研究：开展了多相反应流动的直接模拟研究，采用所提出的间断有限元方法和虚拟域方法研究了流动对组分扩散的影响，并对焦炭燃烧与煤颗粒干燥和热解过程进行了分析，获得了流场、温度场和浓度场的详细结构数据。由于颗粒的相互作用，计算区域中各颗粒的运动状态与分布、周围的温度以及化学反应情况具有很强的不均匀性，不能看作单个运动颗粒在大空间中燃烧过程的简单叠加。同时，建立了可考虑颗粒内部热质传递过程的煤脱水与热解过程的多尺度数学模型，并与实验结果进行了对比，模型具有较高计算精度。. 上述研究成果为发展工程两相反应模型提供了理论基础。发表高水平论文7篇，培养研究生3人。研究工作完成了基金项目的计划内容。