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循环流化床反应器内气固流动、传热、传质和反应过程与时空多尺度结构紧密耦合,具有典型的非线性非平衡特征。已有研究表明,对于此类多相复杂系统而言,传统的连续介质模拟方法,单纯依靠细化网格并不能准确捕捉其物理过程,必须建立合理的介尺度模型。研究表明,亚网格层次的EMMS模型可以合理捕捉循环流化床内的流动特征。在此基础上,EMMS/mass传质模型将循环流化床中的气固传质进行了多尺度分解,并通过臭氧分解模拟验证了其合理性。然而,该模型中涉及的微尺度传质模型中,对传质系数随空隙率的变化关系以及在其低雷诺数(Re)下的极限值问题,目前还有争议。另外,EMMS/mass模型现有控制方程的复杂性使它很难与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件耦合,从而阻碍了它的推广和应用。
本文分别从微尺度和介尺度出发,对循环流化床内的传热过程进行了分析,对努塞尔数(Nu)随空隙率的变化关系以及其在低Re数下的极限值进行了研究,为介尺度EMMS/mass模型的微尺度封闭提供了依据。随后,对EMMS/mass模型进行了简化,以方便其与CFD软件的耦合。最后,将以上多尺度流动、传质模型集成应用于150 MWe工业循环流化床锅炉的燃烧模拟。第二章首先对微尺度上多颗粒均匀分布体系的传热进行了模拟研究。研究结果显示:低Re数时,Nu数随着速度和温度参考值选取的不同而变化,但其极限总是非零值,而实验结果拟合的极限值具体数值不同主要是由于操作条件很难控制到足够低的Re数,以及参考速度和温度难以确定所导致；不同Re数范围下,空隙率对Nu数的影响不同,低Re数时,Nu数随空隙率的增加而增大,高Re数时,Nu数随空隙率的增加而减小,两者之间的转折点在Re=10附近。随后,根据循环流化床的流动特性,忽略了扩散项对质量传递的贡献,得到了简化的介尺度EMMS/mass模型。将简化的EMMS/mass模型与CFD软件Fluent耦合模拟了臭氧分解过程,结果与原模型预测值基本吻合,并且都比传统传质模型的结果更接近实验值。第三章至第五章将多尺度流动和传质模型逐步集成应用于循环流化床燃烧(Circulating Fluidized Bed Combustion,CFBC)模拟。其中,第三章首先对半工业规模循环流化床的固体颗粒回路的流动进行了三维模拟验证。研究结果表明,考虑介尺度结构的EMMS/Matrix模型与Fluent耦合后,可以定量预测循环流化床内的流动分布。在此基础上,第四章进一步对150 MW。循环流化床锅炉中固体颗粒主回路的流动进行了三维模拟研究。在以上流动模拟的基础上,第五章将简化的EMMS/mass模型耦合到燃烧反应的组分质量守恒方程中,实现了150MW。循环流化床锅炉燃烧室内三维燃烧模拟,模拟结果与设计值吻合。第六章总结了本论文获得的主要结论,并对介尺度传质模型的应用前景以及进一步开展研究的方向进行了讨论。