中文摘要：

由于循环流化床的装机容量持续增长，运行过程中出现各种各样的问题，对优化设计的需求较高。本项目面对这一工程背景，提出对有气固两相燃烧反应存在的循环流化床进行大涡模拟研究，发展大涡模拟框架内多相、多物理过程的耦合模型。其中对于煤粉颗粒动力学的模拟采用全尺度离散颗粒模拟和标准离散颗粒模拟相结合的方法；对于燃烧和化学反应，拟提出新的耦合标量模型对小火焰/过程变量方法进行改进，将其拓展到对气固两相燃烧的研究中。在此基础上，考虑气固两相间全面的质量、动量和能量耦合，开发一套三维高级模拟平台，能够对燃煤流化床内复杂的流体动力学、颗粒扩散和热解、均相和非均相化学反应、热质传递、颗粒－颗粒/颗粒－壁面/颗粒－流体相互作用、污染物生成、埋管磨损等进行系统地研究，找到影响系统运行效率的关键因素。通过实验检验和验证后，使得该平台能可靠地帮助工业界对循环流化床锅炉进行预测、设计和性能优化。

结论摘要：

由于循环流化床的装机容量持续增长，运行过程中出现各种各样的问题，对优化设计的需求较高。本项目面对这一工程背景，对有气固两相燃烧反应存在的流化床进行大涡模拟研究，发展大涡模拟框架内多相、多物理过程的数学模型和计算方法,考虑了燃煤流化床内复杂的流体动力学、颗粒扩散和热解、均相和非均相化学反应、热质传递、颗粒－颗粒/颗粒－壁面/颗粒－流体相互作用以及埋管磨损等,其中对于颗粒动力学的模拟采用全尺度离散颗粒模拟和标准离散颗粒模拟相结合的方法。经过广泛的实验验证后，采用该模型对鼓泡床内流动、混合、传热和磨损进行了研究,发现跟双流体模型相比，离散单元模型能更好地与实验数据吻合。床内存在复杂的气泡和颗粒运动，颗粒的混合在起始时刻最强，且表观速度越大，颗粒混合更加剧烈。埋管的存在限制了床内气泡和颗粒的运动，不但造成了管壁磨损，也改变了管壁周围的空隙率，从而改变传热性能。埋管总的传热系数在水平两侧最大，底部次之，顶部最小；其磨损则在底部最高，顶部次之，水平两侧最小。对喷动床流态化及其放大设计的数值模拟研究发现，在喷动区和喷泉区的颗粒速度较大，环形区的颗粒速度较小。有导流管的喷动床压降在相对较小的喷动流率下就可达到稳定，随着导流管长度的增大，床层压降达到稳定所需要的喷动流率也越小。随着空截面气速由大变小，三维狭缝式矩形截面-锥底喷动床内的流动形态先后经历了“稳定喷动” -“内部射流”-“固定床”的变化。放大设计的研究进一步发现，双体床内颗粒场随空截面气速变化而表现出五种典型的流态，而且有隔板时的床层压降大于无隔板时的压降。应用所提出的模型对内循环流化床三维流动特性及优化运行进行了数值模拟，发现对于腔室间压差，不论在何种流化风速下，都呈现随着床压增大而逐渐减小的趋势。随着气体分布板倾斜角增大，颗粒循环流率、气流短路通量及床体腔室间压差都随之不断减小。最后对循环流化床整床的流动特性进行了离散元大涡模拟研究，准确再现了循环床典型的“核-环”流动结构及床内颗粒流动细节，发现在中心轴线上离散相时均速度较大，且由于强烈的入口和出口约束作用，其沿床高的分布呈现明显的反“C”形分布特征。此外，还对复杂两相燃烧进行了深入的研究，在国际上率先对两相燃烧进行了直接数值模拟，揭示了两相燃烧的基本规律，提出了亮相燃烧的新模型，并发展了大涡模拟的复合小火焰模型，可以更好地模拟两相燃烧。