稠密异重气固两相流相间作用机理与粗糙颗粒动力学的研究

以稠密异重气固两相流动为研究对象，建立考虑颗粒平动和转动的粗糙颗粒碰撞动力学。基于Fokker-Plank 方程，考虑流化床内非球形颗粒流动取向性，建立取向分布函数计算模型。采用Chapman-Enskog迭代法，建立同时考虑颗粒脉动能分布各向异性和颗粒流动取向分布效应的粗糙颗粒动力学，研究颗粒流动取向和旋转效应以及颗粒速度脉动各向异性对颗粒相宏观流动特性的影响，确定颗粒平动和转动脉动能量传递和耗散规律。建立考虑高浓度颗粒脉动流动影响的气相大涡模拟方法，研究气相湍流对颗粒脉动特性的影响。以石英砂流化稻壳和葵花籽壳颗粒，构建异重鼓泡流化床试验平台。采用CCD高速摄像仪测量流化床内颗粒平动和旋转速度分布。结合考虑高浓度颗粒脉动流动效应的气相大涡模拟和粗糙颗粒动力学，建立稠密异重气固两相欧拉-欧拉双流体模型，研究稠密异重气固两相相间作用机制和协同规律，预测稠密异重流化床内气固两相宏观流动特性。

在气固两相流动中，颗粒表面具有不同的粗糙程度，粗糙颗粒在碰撞和湍流等作用下会产生旋转运动。实验和理论模拟结果均表明颗粒旋转会影响颗粒的运动轨迹、浓度分布以及其它各种宏观和微观参数。但是，目前颗粒动力学理论是基于光滑颗粒假设而来，在理论推导过程仅考虑颗粒的平动运动，未考虑颗粒的转动运动。基于此，有必要发展粗糙颗粒动力学并应用于气固两相流动模拟。. 本文从颗粒动力学基本原理出发建立了粗糙颗粒动力学模型。传统的颗粒动力学理论仅采用了平动拟颗粒温度来描述颗粒脉动的强弱，在本文中引入了颗粒拟总温的概念，颗粒拟总温综合表征了颗粒平动运动和颗粒旋转运动的脉动强度。结合输运理论建立了考虑颗粒旋转的颗粒相质量、动量和拟总温守恒方程。对颗粒速度分布函数采取Chapman-Enskog近似线性求解方法，求解了在同时具有平动和转动运动时的颗粒相应力、热流通量及能量耗散等参数。并在此基础上提出了颗粒相压力、颗粒相剪切粘度和颗粒相耗散等本构关系式，以及边界条件计算模型。. 应用粗糙颗粒动力学模型，数值模拟鼓泡床内的气固两相流动特性。模拟结果显示采用粗糙颗粒动力学模型时气泡直径和床层膨胀率均增大。模拟得到了床内颗粒相时均速度和脉动速度分布以及床层膨胀率等实测结果。同时通过改变切向弹性恢复系数，分析对比了不同的切向弹性恢复系数下颗粒拟总温、剪切粘度、体积粘度、颗粒压力以及热传导系数随颗粒相浓度的变化规律。. 应用粗糙颗粒动力学模型，数值模拟提升管内的气固两相流动特性。模拟结果表明提升管内颗粒浓度分布沿床层轴向上稀下浓，沿床层径向中间稀边壁浓的分布。同时在提升管内可以清楚的观测到颗粒团聚物的形成、运动及消失。在高质量流率时，模拟得到了时均颗粒径向浓度、时均颗粒径向质量流率以及床层压降的分布与实验测量吻合较好。在低质量流率时，模拟得到了颗粒相浓度、速度以及质量流率的分布与实测结果相吻合。与传统颗粒动力学相比，由于粗糙颗粒动理模型考虑旋转运动造成的能量损失等原因，增加了壁面处的颗粒浓度，而在中心区域浓度降低，沿径向方向颗粒速度变小。同时分析了不同切向弹性恢复系数下提升管内浓度和速度等宏观参数的变化，以及颗粒拟总温、剪切粘度、耗散等微观参数的变化，结果表明不同的切向弹性恢复系数下模拟得到的各参数分布趋势一致。