太阳能驱动双循环流化床反应器内耦合流动与传热的数值模拟研究

本文采用计算流体动力学（CFD）方法，基于欧拉-欧拉（Eulerian-Eulerian）模型和离散坐标（DO）辐射模型，对太阳能驱动的双循环流化床反应器（dual circulating fluidized bed reactor）内气固两相流动、传热及化学反应的耦合过程进行了数值模拟。研究揭示了不同太阳辐射通量和进气速度下颗粒分布、气体产物浓度及温度场的瞬态特性，为优化反应器设计、提升能量转换效率（如H2/CO生成）提供了理论依据。

　　

Highlight

控制方程 (Governing equations)

反应流动与传热过程的控制方程包括质量守恒、动量守恒、能量守恒、标准k–ε湍流模型、组分输运、离散坐标辐射模型以及力方程，具体列于表1。

辐射示意图 (Radiation diagram)

图1展示了离散坐标（DO）模型中不透明边界上的辐射行为。对于入射到不透明边界a侧的辐射，一部分通过镜面反射从表面反射出去。

模拟条件 (Simulation condition)

本研究基于先前研究开发的试验装置和部分参数进行模拟。试验设备包括一个双循环流化床反应器，使用氧化铈（CeO₂）纳米颗粒和两种气流：N₂和CO₂。采用固体颗粒再循环回路进行CO₂ → CO + 1/2O₂的热化学两步循环。第一阶段涉及太阳能驱动的氧化铈纳米颗粒吸附解离。第二阶段涉及...

模型验证 (Model verification)

总模拟时间为50秒。图6比较了不同压比下模拟和实验的氮气流量（用作流化气体）。模拟结果在最大实验误差的2%以内，模拟值略高。这种偏差可能源于简化处理，例如将全开控制阀视为直管、假设太阳通量恒定以及理想化的边界条件。其他不确定性来源于...

结论 (Conclusion)

本文模拟了太阳能驱动双循环流化床反应器中化学反应过程中的流动与传热。主要结论如下：

氧化和还原反应分别发生在左侧和右侧反应器中。颗粒体积分数在反应器中部最高，在顶部和底部附近较低。增加辐射通量或入口速度会提高再循环回路中的颗粒体积分数，从而增强固体循环。

颗粒速度呈现核心-环状分布模式...