流化床技術模擬方法研究 [Numerical Simulation Method on Fluidized Bed Technology] 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

內容簡介

　　《流化床技術模擬方法研究》介紹現階段流化床技術的發展與應用，針對流化床內氣固兩相湍流與反應、顆粒運動耗散、氣固相間作用等在模擬過程中遇到的復雜問題提齣以顆粒動理學理論為基礎的模擬方法。以顆粒動理學理論為基礎，從Boltzmann方程齣發推導錶徵顆粒速度脈動各嚮異性的顆粒速度脈動二階矩模型，及錶徵顆粒鏇轉運動特性的粗糙顆粒動理學模型。同時給齣氣相湍流模擬方法、氣固相間作用力和作用能量的模擬方法。基於所建立的模型，模擬研究流化床內氣固兩相流動特性、煤燃燒及煤一生物質聯閤燃燒特性、生物質氣化特性。通過不同結構、不同工況、不同燃料等參數的模擬實例為讀者清晰且全麵地掌握流化床模擬研究方法提供良好的平颱。
　　《流化床技術模擬方法研究》可供流化床技術領域的科研技術人員參閱，亦可作為能源化工等相關專業的本科生及研究生輔導教材。

內頁插圖

目錄

前言
第一篇 基礎知識
1 流化床技術
1．1 流化床技術概述
1．2 流化床技術分類
1．2．1 按分離器工作溫度分類
1．2．2 按分離器結構形式分類
1．2．2．1 采用鏇風分離器的循環流化床鍋爐
1．2．2．2 采用慣性分離器的循環流化床鍋爐
1．2．2．3 采用組閤係統的循環流化床鍋爐
1．2．2．4 鏇渦燃燒分離器的循環流化床鍋爐
1．2．3 按有無外置式換熱器分類
1．2．4 按物料循環倍率分類
1．2．5 按固體物料循環方式分類
1．2．6 按爐膛壓力分類
1．2．7 按工質蒸汽壓力分類
1．2．8 按鍋爐水循環的方式分類
1．3 流化床反應器內氣固特性研究
1．3．1 流化床反應器內氣固流動特性研究
1．3．2 流化床反應器內氣固燃燒特性研究
1．3．3 流化床反應器內氣固氣化特性研究
2 流化床內顆粒動理學理論研究
2．1 顆粒動理學理論概述
2．2 顆粒動理學理論的發展
2．2．1 顆粒二階矩理論
2．2．2 粗糙顆粒動理學理論
2．3 顆粒動理學理論在流化床中的應用
3 流化床內氣相大渦模擬方法研究
3．1 大渦模擬方法概述
3．2 亞格子流動模型研究
3．3 亞格子反應模型研究
3．4 大渦模擬方法在流化床中的應用
4 流化床內氣固相間作用研究
4．1 氣固相間一階作用力模型研究
4．2 氣固相間二階作用脈動能量模型研究
4．3 氣固相間作用模型在流化床中的應用

第二篇 應用實例
5 氣相大渦模擬一顆粒相二階矩模型
5．1 引言
5．2 氣相大渦模擬模型
5．2．1 氣相可解尺度質量守恒方程
5．2．2 氣相可解尺度動量守恒方程
5．2．3 氣相可解尺度能量守恒方程
5．2．4 氣相可解尺度組分守恒方程
5．2．5 氣相亞格子流動模型的封閉
5．2．6 氣相亞格子反應模型的封閉
5．3 顆粒相速度脈動二階矩模型
5．3．1 顆粒速度各嚮異性分布函數
5．3．2 顆粒相流動控製方程
5．3．3 顆粒相反應控製方程
5．4 氣體一顆粒相間作用模型
5．4．1 相間曳力模型
5．4．2 氣固相間二階關聯項模型
5．5 壁麵邊界條件
5．6 本章小結
6 流化床內氣固兩相流動特性的模擬
6．1 引言
6．2 低質量流率提升管流動特性分析
6．2．1 模擬工況及條件
6．2．2 模擬結果與Jiradilok等實驗對比
6．2．3 瞬時流動特性分析
6．2．4 濃度與速度特性分析
6．2．5 氣相亞格子湍動能與耗散分析
6．2．6 顆粒相速度脈動二階矩分析
6．2．7 氣相與顆粒相雷諾應力型二階矩分析
6．3 高質量流率提升管流動特性分析
6．3．1 模擬工況及條件
6．3．2 模擬結果與Herbert等實驗數據對比
6．3．3 瞬時流動特性分析
6．3．4 氣相亞格子模型比較
6．3．5 氣固相間二階關聯模型比較
6．3．6 顆粒碰撞彈性恢復係數影響
6．3．7 氣體錶觀速度的影響
6．3．8 顆粒質量流率的影響
6．4 本章小結
7 流化床內燃燒過程特性的模擬
7．1 引言
7．2 流化床潔淨煤燃燒特性分析
7．2．1 煤顆粒燃燒過程反應模型
7．2．1．1 煤熱解反應模型
7．2．1．2 碳燃燒反應模型
7．2．1．3 揮發分燃燒反應模型
7．2．1．4 NQ排放過程反應模型
7．2．1．5 脫硫過程反應模型
7．2．2 模擬工況及條件
7．2．3 模擬結果與Topal等實驗數據對比
7．2．4 煤顆粒燃燒過程瞬時結果分析
7．2．4．1 瞬時濃度與速度分布
7．2．4．2 瞬時顆粒相組分質量分數分布
7．2．4．3 瞬時氣相組分摩爾分數分布
7．2．4．4 瞬時氣相與顆粒相溫度分布
7．2．5 煤顆粒燃燒過程時均結果分析
7．2．5．1 時均濃度與速度分析
7．2．5．2 時均顆粒相速度脈動二階矩分析
7．2．5．3 時均顆粒相雷諾應力型二階矩分析
7．2．5．4 時均碳燃燒結果分析
7．2．5．5 時均揮發分燃燒結果分析
7．2．5．6 時均NOx排放結果分析
7．2．5．7 時均脫硫結果分析
7．2．5．8 時均氣相與顆粒相溫度分析
7．3 煤一生物質混閤燃燒特性分析
7．3．1 模擬工況及條件
7．3．2 單純煤燃料模擬結果及分析
7．3．3 煤與稻殼混閤燃燒模擬結果及分析
7．4 循環流化床反應器二氧化碳捕集特性分析
7．4．1 模擬工況及條件
7．4．2 實驗對比
7．4．3 模擬結果分析與討論
7．5 本章小結
8 流化床內氣化過程特性的模擬
8．1 引言
8．2 Gerber等的生物質氣化過程模擬研究
8．2．1 生物質氣化過程反應模型
8．2．1．1 生物質熱解反應模型
8．2．1．2 焦油熱解反應模型
8．2．1．3 水氣轉換反應模型
8．2．1．4 燃氣氧化反應模型
8．2．1．5 碳的氣化反應模型
8．2．2 模擬工況及條件
8．2．3 模擬結果與Gerber等實驗對比
8．2．4 生物質氣化過程瞬時結果分析
8．2．4．1 初始流化特性分析
8．2．4．2 瞬時濃度分布
8．2．4．3 瞬時氣相組分摩爾分數分布
8．2．4．4 瞬時氣相與顆粒相溫度分布
8．2．5 生物質氣化過程時均結果分析
8．2．5．1 時均濃度與速度分析
8．2．5．2 時均顆粒相速度脈動二階矩分析
8．2．5．3 時均氣相與顆粒相雷諾應力型二階矩分析
8．2．5．4 時均焦油熱解過程分析
8．2．5．5 時均燃氣氧化分析
8．2．5．6 時均碳顆粒燃燒和氣化過程分析
8．2．5．7 時均氣相與顆粒相溫度分析
8．3 Loha等的生物質氣化過程模擬研究
8．3．1 模擬工況及條件
8．3．2 與Loha等實驗結果的對比
8．3．3 流動特性分析
8．3．3．1 床料流動模型分析瞬時特性
8．3．3．2 顆粒速度分布時均特性
8．3．4 反應模擬結果分析
8．3．4．1 瞬時氣相各組分濃度分布
8．3．4．2 時均氣相各組分濃度分布
8．3．4．3 生物質顆粒濃度分布與溫度場的關係
8．3．4．4 化學反應速率分布
8．3．5 不同生物質氣化模擬結果及分析
8．4 本章小結
參考文獻
附錄 氣相亞格子湍動能方程的推導過程
彩色圖版

前言/序言

　　隨著經濟的快速發展，因能源利用引起的環境汙染日益嚴重。我國的煤炭利用效率僅為30%，然而燃煤釋放的S02占全國總排放的85%，NOx占60%，粉塵占70%。燃煤造成的汙染物排放已成為形成酸雨、霧霾等惡劣天氣的主要原因，不但對交通、電力、工農業等方麵造成嚴重的影響，還給人類健康帶來極大危害。因此，發展高效、低汙染的潔淨燃燒技術已成為當今社會持續發展的必然要求。流化床技術是目前國際上公認的商業化程度好的潔淨燃燒技術。與常規的煤粉鍋爐相比，流化床鍋爐具有燃料適應性好、燃燒效率高、汙染物排放低和操作溫度易控製等優勢。流化床鍋爐可以燃燒劣質煤種，甚至可以將農作物秸稈和生活垃圾等作為燃料變廢為寶。流化床鍋爐燃燒效率可以達到95%～99%，而且NOx的生成量較低，其他汙染物如CO、HCl、HF的排放量也低於煤粉爐。流化床技術是今後發展的一個重要方嚮。
　　隨著計算機技術的普及，數值模擬己成為流化床技術研究的一個重要手段。目前學者對燃燒過程研究較多，但大多數都隻關心反應原理，在假設顆粒靜止的穩態的基礎上進行模擬預測。然而，流化床內氣固兩相流動與反應是一個復雜的動態過程，一方麵，氣體湍流流動、顆粒碰撞耗散以及氣固相間多嚮耦閤作用等多相流問題增加模擬的復雜性；另一方麵，均相反應與氣固異相反應同時存在，反應過程的吸放熱溫度變化，使得氣固相間的流動與反應過程相互影響，對研究模型精度的要求更高。因此，流化床技術模擬方法相關的資料對發展和預測流化床技術具有重要的指導意義。
　　目前專門應用於流化床技術模擬方法的書籍鳳毛麟角，針對流化床技術發展迅速以及相關技術人員渴望對流化床結構、工作過程及流動與反應特點進行深入瞭解的需求增加，本書從2009年年初開始著手編寫，旨在用簡單易懂的文字介紹流化床技術，用科學的語言描述流化床技術的模擬方法、研究思路及模擬過程。本書分為兩篇，第一篇（第1章～第4章）是基礎知識部分：第1章介紹流化床技術的概念、分類及應用，總結國內外專傢、學者對流化床技術的研究現狀，介紹基於雙流體的流化床內氣固流動與反應過程的常見模擬方法；第2章以顆粒動理學為理論基礎，推導描述流化床內顆粒速度脈動各嚮異性的二階矩理論模型，及描述流化床內顆粒鏇轉運動的粗糙顆粒動理學理論模型，完善顆粒動理學理論；第3章介紹常用的大渦模擬方法，分析大渦模擬過濾後的亞格子流動模型與亞格子反應模型特點；第4章介紹相間作用力模型和相間作用能量模型的發展。第二篇（第5章～第8章）是應用實例部分：第5章從理論齣發詳細推導氣相大渦模擬一顆粒相二階矩雙流體模型；第6章應用所建立的雙流體模型分彆對低質量流率和高質量流率提升管內氣固兩相流動特性進行數值模擬；第7章應用所建立的雙流體模型結閤燃燒化學反應動理學，分彆對煤燃燒和煤一生物質聯閤燃燒的氣固兩相流動與反應特性進行數值模擬；第8章應用所建立的雙流體模型，考慮高顆粒濃度下的摩擦應力影響，結閤氣化化學反應動理學，對生物質氣化的氣固兩相流動與反應特性進行數值模擬。通過對流化床內氣固流動與反應模型的推導和對不同結構、不同工況、不同燃料等參數的氣固流動與反應過程的模擬研究，使讀者對流化床模擬研究有一個清晰的認識，更好地掌握流化床數值模擬方法。本書可供流化床技術領域的科研技術人員參閱，亦可作為能源化工等相關專業的本科生及研究生輔導教材。

流化床技術模擬方法研究 內容簡介 流化床技術作為一種高效、靈活的傳熱傳質單元操作，在化工、冶金、製藥、能源等眾多領域扮演著至關重要的角色。其獨特的流態化特性，使得固體顆粒在氣流或液體的作用下呈現齣類似流體的行為，從而實現優異的混閤、傳熱和反應效率。然而，流化床內部復雜的兩相流（氣-固或液-固）行為，包括顆粒的運動、聚團、分散、以及由此引發的傳熱和傳質過程，使得其設計和優化過程麵臨巨大挑戰。傳統的實驗方法雖然能提供寶貴的數據，但往往成本高昂、耗時耗力，且難以精確捕捉微觀尺度的瞬態過程。 本書《流化床技術模擬方法研究》正是聚焦於解決上述難題，深入探討並係統闡述瞭利用數值模擬方法來研究和理解流化床技術的核心問題。本書旨在為研究人員、工程師和相關領域的學生提供一套全麵、實用且具有前瞻性的流化床模擬技術指南。 全書圍繞流化床模擬方法展開，從基礎理論到具體應用，層層遞進，力求為讀者構建一個清晰的認知框架。 第一部分：流化床基礎理論與數值模擬概述 本部分將從流化床的基本概念入手，係統介紹流化床的分類、關鍵運行參數（如起泡流速、床層膨脹、壓降等）及其對流化狀態的影響。在此基礎上，我們將深入探討流化床內部兩相流的物理本質，包括顆粒間的相互作用力、顆粒與流體的相互作用力等。 緊接著，本書將對數值模擬方法在流化床研究中的應用進行宏觀介紹。我們將闡述為什麼數值模擬是研究流化床的強大工具，它能夠提供宏觀和微觀層麵的洞察，彌補實驗方法的局限性。同時，本書也將概述主流的數值模擬方法，包括格子Boltzmann方法（LBM）、計算流體力學（CFD）與離散單元法（DEM）耦閤方法等，並對其各自的優勢、劣勢以及適用範圍進行初步的分析。 第二部分：流化床數值模擬的關鍵理論與方法 本部分將進入流化床數值模擬的核心技術層麵。 連續相（流體）的數值模擬： 針對流體相，本書將詳細介紹基於連續介質力學理論的數值求解方法，重點闡述Navier-Stokes方程的離散化技術，如有限體積法（FVM）和有限差分法（FDM）。我們將深入剖析不同湍流模型（如RANS模型，LES模型）在流化床模擬中的選擇與應用，以及它們如何捕捉流體流動中的復雜結構。此外，還可能涉及多相流模型，例如Euler-Euler模型和Euler-Lagrange模型，並詳細闡述它們在描述氣-固或液-固兩相流動時的數學基礎和求解策略。 離散相（顆粒）的數值模擬： 對於離散的固體顆粒，本書將重點介紹離散單元法（DEM）。我們將詳細講解DEM的基本原理，包括顆粒的運動方程（牛頓第二定律）、顆粒間的接觸模型（如綫性彈簧-阻尼模型、Hertz-Mindlin模型等）以及顆粒與壁麵、顆粒與流體之間的接觸力模型。我們將深入討論顆粒形狀、尺寸分布、摩擦係數、恢復係數等參數對模擬結果的影響。 多相流耦閤模擬： 流化床的核心在於流體相和顆粒相的相互作用。本書將重點闡述CFD-DEM耦閤方法的原理和實現。我們將詳細介紹流體相對顆粒相的力和動量傳遞，以及顆粒相對流體相的阻力和體積修正等耦閤機製。我們將討論不同耦閤方式（強耦閤、弱耦閤）的適用性，以及如何有效地實現兩種方法的計算協調。 其他模擬方法介紹： 除瞭CFD-DEM耦閤，本書還將簡要介紹其他適用於流化床模擬的方法，例如基於格子Boltzmann方法的兩相流模擬，以及多尺度模擬方法，探討它們在特定問題中的應用潛力。 第三部分：流化床模擬的實現與應用 本部分將側重於流化床數值模擬的實際操作和應用案例。 幾何建模與網格生成： 介紹如何根據實際的流化床設備幾何形狀進行三維建模，以及如何生成滿足精度要求且計算效率的計算網格。 邊界條件與物性參數設置： 詳細講解在流化床模擬中需要設置的各種邊界條件（入口、齣口、壁麵等）和物性參數（流體密度、粘度、顆粒密度、尺寸、形狀等），以及這些參數的閤理取值對模擬結果的重要性。 求解器選擇與計算效率優化： 介紹不同數值求解器的特點，以及如何根據模擬問題的規模和復雜性選擇閤適的求解器。同時，也將探討並行計算、GPU加速等技術在提高流化床模擬計算效率方麵的應用。 模擬結果的處理與驗證： 詳細介紹如何對模擬得到的流場、顆粒運動、傳熱傳質等數據進行後處理，包括可視化、數據統計分析等。更重要的是，本書將強調模擬結果與實驗數據的對比驗證的重要性，並介紹常用的驗證方法，確保模擬的可靠性。 流化床關鍵性能的模擬研究： 本部分將結閤具體的流化床應用場景，展示數值模擬方法的強大能力。例如： 流態化行為與流型預測： 模擬不同操作條件下流化床的起泡、團聚、環流等流態化行為，預測不同流型的轉變，為設備設計提供依據。 傳熱與傳質過程分析： 模擬床層內的溫度分布、熱量傳遞機製（對流、導熱、輻射），以及汙染物去除、催化反應等傳質過程，為優化操作條件、提高反應效率提供指導。 顆粒混閤與分離模擬： 分析顆粒在床層內的混閤均勻性，以及在循環流化床等設備中顆粒的分離效率。 催化反應器與燃燒爐模擬： 針對具體的流化床反應器（如催化裂化反應器、氣化爐、燃燒爐等），進行詳細的數值模擬，分析反應物分布、産物生成、能耗等關鍵指標，為工藝優化和放大提供支持。 新型流化床設備設計與優化： 利用模擬手段，探索新型流化床結構（如內部構件、噴嘴設計等）對流化性能、傳熱傳質效果的影響，為創新設備設計提供指導。 第四部分：流化床模擬的前沿進展與挑戰 最後，本書將對流化床數值模擬的最新進展進行展望，並指齣當前麵臨的挑戰。 人工智能與機器學習在流化床模擬中的應用： 探討如何將AI和ML技術與傳統模擬方法相結閤，以加速模擬計算、優化模型參數，甚至實現對流化床性能的預測性控製。 多尺度耦閤與多物理場耦閤： 討論如何實現更精細尺度的模擬（如分子動力學）與宏觀尺度的流化床模擬的有效耦閤，以及如何同時考慮電磁、聲學等其他物理場對流化床的影響。 模型精度與計算資源瓶頸： 分析當前模型在捕捉某些復雜現象（如顆粒破碎、非球形顆粒等）時存在的精度問題，以及大規模、高分辨率模擬所麵臨的計算資源挑戰。 軟件開發與標準化： 探討流化床模擬軟件的發展趨勢，以及建立統一的模擬平颱和標準化方法的必要性。 本書《流化床技術模擬方法研究》以其詳實的理論闡述、嚴謹的方法論證和豐富的應用案例，將為讀者提供一個全麵深入理解流化床模擬技術的視角。通過掌握本書介紹的模擬方法，研究人員和工程師將能夠更有效地進行流化床設備的設計、優化和故障診斷，從而推動流化床技術的不斷進步和廣泛應用。