摘 要

气固两相非等温流在工业中有着十分重要的地位，并且又是各种化学反应器的基础，例如填充床和流化床。因此，若我们对流体力学和热效应之间复杂的相互作用有了更深的理解，那么对于进一步改进其设计和效率则至关重要。在过去的几十年中，计算流体力学（CFD）被广泛应用于气固两相非等温流体的模拟。CFD模拟中采用经验Nusselt数表达式来计算气体和固体两相之间的热相互作用。但是，这种经验表达式是根据实验数据得出的，这些实验数据对于Relt;20的情况而言，不同的研究者的测量结果相差了几个数量级。这是由于以下事实：对于Relt;20的情况，自然对流、辐射和轴向热扩散在固体颗粒与流体之间的热传递起着重要的作用。

在本文中，采用格子玻尔兹曼方法研究Relt;20时，均匀流中气体和固体两相间的传热。并通过应用Boussinesq近似法来考虑自然对流的影响。本文详细研究了球形颗粒的不同空间排列对传热的影响。工作概要可以总结如下：

（1）通过将LBM模拟获得的Nusselt数与前人研究报告的模拟结果进行比较，以此验证此次LBM代码的有效性。

（2）计算不同球形颗粒空间排列的Nusselt数，阐明了自然对流对颗粒粒子与气体之间的热传递的影响。

（3）比较强自然对流和弱自然对流对气体与颗粒之间传热的影响。

比较表明，努塞尔数随着雷诺数的增大而增大。如果自然对流与流体流动方向相同，则强制对流会增强；而如果自然对流与流体流动的方向相反，则强制对流会受到抑制。

关键字：低雷诺数；格子玻尔兹曼方法；自然对流；颗粒的空间排列

Abstract

Gas-solid non-isothermal flows are of great importance in industry, and are the basis of various chemical reactors, e.g. packed and fluidized beds. Hence, improving our understanding of the complicated interaction between fluid mechanical and thermal effects is essential to improve further their design and, hence, improve their efficiency. Over the past decades, computational flud dynamics (CFD) are widely used in the simulation of gas-solid non-isothermal flows. The empirical Nusselt number correlations are employed in the CFD simulations to calculate the thermal interaction between gas and solids. However, the empirical correlations are derived based on the experimental data that defers by orders of magnitude for Relt;20. This is due to the fact that natural convection, radiation and axial thermal dispersion play an important role in the heat transfer between solid particles and a fluid for Relt;20.

In this work, lattice Boltzmann method is used to investigate the heat transfer between gas and solid in uniform flows for Relt;20. Natural convection is taken into account by applying the Boussinesq approximation. The effect of spatial arrangement of spherical particles on the heat transfer is studied in detail. The outline of the work can be summarized as follows:

（1）validation of the LBM code by comparing the Nusselt number obtained by LBM simulations with the simulations results reported by other researchers.

（2）calculation of Nusselt numbers for different spatial arrangement of spherical particles, elucidating the effect of natural convection on the heat transfer between particles and gas.

（3） Comparing the effect of strong and weak natural convection on the heat transfer between gas and particles.

The comparisons demonstrate that the Nusselt numbers increase with increasing Reynolds number. The forced convection is enhanced if the natural convection is in the same direction of the fluid flow, whereas the force convection is suppressed if the natural convection is in the opposite direction of the fluid flow.

Keywords: low Reynolds Number; lattice Boltzmann method; natural convection; spatial arrangement of particles.

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外对颗粒因素对传热的影响研究现状 1

1.3 国内外对低雷诺数强迫对流对传热的影响研究现状 4

1.4 研究的目的及意义 7

1.5 研究对象及方法 8

1.5.1研究对象 8

1.5.2研究方法 8

第二章 数值模拟 9

2.1控制方程 9

2.2数值方法 10

2.2.1热格子玻尔兹曼方法 10

2.2.2热格子玻尔兹曼方法的边界条件 11

2.2.3热格子玻尔兹曼方法的验证 12

第三章 模拟结果与图表分析（一） 14

3.1直线排列 14

3.1.1平行于流体速度 14

3.1.2垂直于流体速度 18

第四章 模拟结果与图表分析（二） 20

4.1三角形排列 20

4.1.1正三角形空间排列 20

4.1.2倒三角空间排列 21

第五章 对比参照 24

第六章 结论与展望 30

6.1全文总结 30

6.2工作展望 30

参考文献 31

致谢 34

绪论

研究背景

当今世界经济是在大量燃烧使用原煤、天然气、原油等一次不可再生能源的基础上发展起来的，这其中涉及到大量热传递过程。由于气体本身存在导热率低，比热容小等缺点，单纯的依靠单相气体进行传热已经不能满足工业等众多领域的发展需要，为了在满足工艺要求的前提下，强化传热，提高热量传递速率，提高生产率，人们发现将固体颗粒加入到气体中，打破单相气体的限制，形成气固两相流，可以将传热系数成倍增加，使换热能力得到本质提升。现今，气固两相流被广泛应用于火电工程、化工设备、不同类型的工业反应器等各个领域。通俗上来说，在不同状态下的一种或者两种物质的流动便可以理解为两相流。当两种物质为气体和固体，在一起流动并碰撞时，就叫做气固两相流。再简单地讲，也可以理解为在气流中加入颗粒，即形成气固两相流^[1]。气固两相流的形式，依据气流的速度的由小至大，颗粒在气流中的浓度由密至稀，气固两相流从鼓泡流态化变化到快速流态化以及最终保持稀相气力输送状态^[1]。对气固两相流的流动以及传热机理的探索与研究，不仅在科研理论方面有重大意义，在实际应用当中同样具有现实意义，鉴于气固两相流的广泛应用，对气体和固体之间的传质和传热过程的研究已经成为一个热门话题。近些年来，境内外众多专家学者就此问题发表了许多优秀的文章。然而，仍有一些领域和方法需要进一步探索。本文主要介绍了近几年境内外部分研究现状，并提出探索一些新的未知领域。