移动床卸料特性的DEM模拟研究

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移动床作为一种常见的反应器和运输装置,广泛应用于各种过程工业中。颗粒物料在移动床中处于紧密堆积缓慢流动状态,床层内部的应力分布存在明显的各向异性和空间非均匀性,造成卸料过程中可能会发生流动不均匀或不稳定。本论文工作针对某企业换热式移动床反应器装置优化设计需求,基于离散单元法数值模拟,考察了壁面效应、移动床底部开口位置对颗粒卸料特性的影响,论文主要研究结果如下:(1)流动形式。对于所考察的厚度为10d的移动床系统,当厚度方向采用周期性边界(PB)时,流动区近似处于稳定状态;而当厚度方向采用薄壁(Wall)体系时,颗粒卸料呈现出显著的不稳定特征,流动区内形成“流动—静止—流动”这样一种波动现象。厚度方向边界条件不影响半整体流—漏斗流两种流型的临界转变高度,两种条件下该临界转变高度都约等于1.5倍的床层宽度。但薄壁体系下,半整体流时的有效转捩点(上部整体流和下部漏斗流的交界面位置)要明显高于周期性边界时的有效转捩点。(2)速度分布。在所考察的两种壁面条件下,无论系统处于半整体流型还是漏斗流流型,在流动区上部局部区域颗粒速度随时间的变化都呈现明显的波动特征。对于周期性边界条件,傅里叶频谱分析结果表明该波动呈现出一种周期性,存在一特征频率;延迟相关性分析结果表明,波动源自于床层底部出口上方的颗粒运动。在薄壁条件下,局部颗粒速度的时间序列出现了明显的波动特征,表现为静止(vz≈0)和向下运动vz<0)交替出现。然而傅里叶频谱分析结果表明频谱图不存在唯一的特征峰,说明在此条件下颗粒速度波动不仅受底部出口处颗粒运动影响,还受壁面摩擦效应的影响。(3)出口位置对卸料特性的影响。改变底部出口位置情况下,只有当出口位于侧壁时卸料速量才会发生变化,此时的卸料流量与侧壁的摩擦系数密切相关,并随着侧壁摩擦系数的增大呈现先降低后近似保持恒定的变化趋势。在周期性边界条件下,出口位于侧壁时半整体流的有效转捩高度以及半整体流—漏斗流的转捩高度都约为中心开口下对应数值的2倍,而薄壁情况下约为2.5倍。
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