洗滌冷卻室內(nèi)氣液兩相流動與熱質(zhì)傳遞的數(shù)值模擬.pdf

1、洗滌冷卻室作為氣流床煤氣化爐內(nèi)的核心設(shè)備之一，對合成氣的冷卻凈化起著十分重要的作用。洗滌冷卻室內(nèi)工藝過程復(fù)雜，存在著氣-液-固多相流動、分離和相變傳熱等現(xiàn)象，相關(guān)規(guī)律和機理的認(rèn)識還不夠全面。因此，針對洗滌冷卻室內(nèi)多相體系中的流動和熱質(zhì)傳遞等基礎(chǔ)性問題展開全面、深入的研究，具有現(xiàn)實意義。本文采用理論分析、數(shù)值模擬為主要研究手段，結(jié)合相關(guān)實驗研究驗證，圍繞洗滌冷卻室內(nèi)氣體穿越液池過程所涉及的氣流穿透行為、氣液兩相流動及其熱質(zhì)傳遞展開研究，探

2、討其內(nèi)在機理。研究內(nèi)容主要包括：
　　 基于歐拉法，對于洗滌冷卻室內(nèi)的氣液兩相流動，采用VOF/CSF數(shù)學(xué)模型進行了求解。運用VOF模型準(zhǔn)確追蹤復(fù)雜的相間界面，應(yīng)用CSF模型考慮了相間界面張力的作用；基于控制體積中相的體積份額標(biāo)量值，采用高效、精確的PLIC界面重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建了控制體積的相間界面。利用所建立的數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值計算，與相關(guān)實驗研究相結(jié)合，驗證了所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
　　 從時間和空間上對洗滌冷卻室內(nèi)浸沒式

3、頂吹氣流在液池中的穿透行為進行細節(jié)上的描述。探討不同參數(shù)對氣流穿透深度的影響，通過量綱分析，建立氣流穿透深度的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：當(dāng)下降管直徑和液體密度一定時，氣流穿透深度隨著氣流動量的增加而增大；然而，當(dāng)液體密度和氣流動量不變時，氣流穿透深度卻隨著下降管管徑的增加而減?。幌陆倒芙]深度、液體粘度均對氣流穿透深度影響不大。
　　 針對實驗尺寸的洗滌冷卻室，從形態(tài)上獲得了氣體穿越液池過程中氣液兩相流動特征，從定量上揭示并分析了洗滌

4、冷卻室內(nèi)的氣含率、氣液相湍動能、速度、氣泡尺寸以及氣液界面面積濃度等參數(shù)的分布規(guī)律。結(jié)果表明：在洗滌冷卻室內(nèi)下降管管口形成的氣泡聚集在下降管外壁，并主要沿下降管邊壁上升，且具有較大的上升速度：沿徑向氣液速度逐漸下降，在冷卻室壁面附近，氣液發(fā)生回流；氣液兩相湍動能主要在下降管外壁面附近產(chǎn)生，在氣液交界面上獲得最大值：環(huán)隙鼓泡床底部，下降管附近處的氣泡平均直徑最大，氣泡尺寸沿徑向逐漸降低且變化梯度較大；氣液界面濃度在環(huán)隙外側(cè)，即冷卻室壁面附

5、近出現(xiàn)較大值，該區(qū)域主要以小氣泡為主；氣泡在液面破碎產(chǎn)生大量液滴飛濺，濺射主要發(fā)生在下降管外壁附近。
　　 針對工業(yè)尺寸的洗滌冷卻室，揭示了表觀氣速、靜態(tài)液位、操作壓力等對氣泡特性的影響規(guī)律，對環(huán)隙增設(shè)分隔板的作用作了定性和定量的分析。結(jié)果表明：表觀氣速越大，液位越高，操作壓力越大，突擴比越小，液池內(nèi)氣含率越大，氣泡濕周越大；不同工況下，濕周沿軸向均呈洛侖茲分布，峰值對應(yīng)高度為液面高度；增設(shè)破泡板后，環(huán)隙鼓泡床內(nèi)氣含率和氣泡濕周

6、軸向分布均勻，結(jié)果證明加裝破泡板一方面能夠有效地減小氣泡尺寸，增加氣液界面面積濃度；另一方面，可以有效降低床層及液面的波動，有利于裝置的穩(wěn)定運行。
　　 在得知氣泡特性分布的基礎(chǔ)上，建立氣液直接接觸相變換熱數(shù)學(xué)模型，對高溫氣體穿越液池過程中氣液熱質(zhì)傳遞特性進行了研究，探討了表觀氣速、氣體溫度、含濕量等因素對池內(nèi)氣、液兩相溫度以及氣體含濕量軸向分布的影響。結(jié)果表明：氣液直接接觸換熱過程中，在環(huán)隙鼓泡床下端發(fā)生凝結(jié)相變，而在其上部發(fā)