计算物理 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 65-76.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8822
收稿日期:
2023-08-28
出版日期:
2025-01-25
发布日期:
2025-03-08
通讯作者:
娄钦
作者简介:
孙书宝, 男, 硕士研究生, 研究方向为多孔介质内反应流, E-mail: sunshubao2021@163.com
基金资助:
Shubao SUN(), Qin LOU*(
)
Received:
2023-08-28
Online:
2025-01-25
Published:
2025-03-08
Contact:
Qin LOU
摘要:
基于格子Boltzmann方法在表征单元体积(REV)尺度下模拟串列多孔CaO颗粒吸收CO2化学反应过程, 主要研究CaO颗粒孔隙率、颗粒直径、颗粒间排列方式对颗粒转化效率和平均转化率的影响。结果表明: CaO颗粒转化效率随其孔隙率增加呈现先减小再增大的趋势, 这是由于不同的孔隙率导致颗粒初始物质的量和内部气固反应速率不同, 二者竞争进而影响转化效率。另一方面, 颗粒直径越大, 转化效率越低, 粒径50 μm的颗粒比粒径150 μm的颗粒平均转化效率提高了8.4%, 粒径150 μm的颗粒比粒径250 μm的颗粒平均转化效率提高了7.2%。研究颗粒排列方式对平均转化率的影响发现: 当颗粒间水平夹角θ=0°~10°, 由于回流涡的影响使得平均转化率随角度增加不能得到有效提升; 当θ=10°~40°, 后方CaO颗粒逐渐远离回流区, 使得平均转化率随角度增加得到显著提升; 当水平夹角大于40°时, CaO颗粒完全脱离回流区, 此时平均转化率达到最大且不随角度发生变化, 模拟结果可以为CO2捕捉提供一定的参考依据。
孙书宝, 娄钦. 表征单元体积尺度下多个CaO颗粒吸收CO2的介观数值方法[J]. 计算物理, 2025, 42(1): 65-76.
Shubao SUN, Qin LOU. Mesoscopic Simulation of CO2 Absorption by Tandem Porous CaO Particles at REV Scale[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2025, 42(1): 65-76.
物理量 | 物理量符号 | 物理单位 | 格子单位 | 转换因子 |
计算域长度 | Lx | 3.6×10-3 m | 720 | 5×10-6 m |
计算域高度 | Ly | 1.8×10-3 m | 360 | 5×10-6 m |
颗粒直径 | lp | 1.5×10-4m | 30 | 5×10-6 m |
入口CO2流速 | u0 | 7.4×10-3m·s-1 | 0.074(Re=20) | 0.1 m·s-1 |
CO2浓度 | C0 | 5.64 mol·m-3 | 1 | 5.64 mol·m-3 |
CO2密度 | ρ | 1.977 kg·m-3 | 1 | 1.977 kg·m-3 |
CO2黏度 | v | 8.37×10-6m2·s-1 | 0.037 | 2.26×10-4 m2·s-1 |
CaO物质的量 | n0 | 212.63 mol·m-3 | 37.7(ε=0.2) | 5.64 mol·m-3 |
表1 格子单位与物理单位转换表
Table 1 Conversion between lattice units and physical units
物理量 | 物理量符号 | 物理单位 | 格子单位 | 转换因子 |
计算域长度 | Lx | 3.6×10-3 m | 720 | 5×10-6 m |
计算域高度 | Ly | 1.8×10-3 m | 360 | 5×10-6 m |
颗粒直径 | lp | 1.5×10-4m | 30 | 5×10-6 m |
入口CO2流速 | u0 | 7.4×10-3m·s-1 | 0.074(Re=20) | 0.1 m·s-1 |
CO2浓度 | C0 | 5.64 mol·m-3 | 1 | 5.64 mol·m-3 |
CO2密度 | ρ | 1.977 kg·m-3 | 1 | 1.977 kg·m-3 |
CO2黏度 | v | 8.37×10-6m2·s-1 | 0.037 | 2.26×10-4 m2·s-1 |
CaO物质的量 | n0 | 212.63 mol·m-3 | 37.7(ε=0.2) | 5.64 mol·m-3 |
ε=0.01 | ε=0.4 | ε=0.6 | ε=0.8 | |
Ref.[ | Ref.[ | Ref.[ | Ref.[ | |
2.05 | 2.411 | 2.105 | 2.049 | |
本文 | 2.053 | 2.423 | 2.136 | 2.083 |
相对误差/% | 0.15 | 0.49 | 1.45 | 1.63 |
表2 阻力系数数据对比
Table 2 Comparison of resistance coefficient data
ε=0.01 | ε=0.4 | ε=0.6 | ε=0.8 | |
Ref.[ | Ref.[ | Ref.[ | Ref.[ | |
2.05 | 2.411 | 2.105 | 2.049 | |
本文 | 2.053 | 2.423 | 2.136 | 2.083 |
相对误差/% | 0.15 | 0.49 | 1.45 | 1.63 |
图6 CaO颗粒内部CO2气体浓度分布(a) ε=0.2;(b) ε=0.4;(c) ε=0.6;(d)ε=0.8
Fig.6 Distribution of CO2 gas concentration inside CaO particles (a) ε=0.2;(b) ε=0.4;(c) ε=0.6;(d) ε=0.8
颗粒直径 | 流动阻力 |
lp= 50 μm | 4.66×10-3 |
lp=150 μm | 8.37×10-2 |
lp=250 μm | 3.92×10-1 |
表3 流动阻力对比
Table 3 Comparison of resistance to flow
颗粒直径 | 流动阻力 |
lp= 50 μm | 4.66×10-3 |
lp=150 μm | 8.37×10-2 |
lp=250 μm | 3.92×10-1 |
图10 孔隙率为ε在0.1~0.9不同CaO颗粒直径平均转化率达到0.8所需时间
Fig.10 Time required for average conversion rate to reach 0.8 under different CaO particle diameters with ε=0.1-0.9
ε=0.1 | ε=0.2 | ε=0.3 | ε=0.4 | ε=0.5 | ε=0.6 | ε=0.7 | ε=0.8 | ε=0.9 | 平均 | |
150 μm比250 μm增量 | 9% | 6.8% | 7.7% | 5.4% | 5.3% | 5.4% | 5.9% | 9.3% | 10.3% | 7.2% |
50 μm比150μm增量 | 13.3% | 9.8% | 8.3% | 7.5% | 5.6% | 7.5% | 8.3% | 7.7% | 7.7% | 8.4% |
表4 不同粒径转化效率百分比增量
Table 4 Percentage increment of conversion efficiency for different particle sizes
ε=0.1 | ε=0.2 | ε=0.3 | ε=0.4 | ε=0.5 | ε=0.6 | ε=0.7 | ε=0.8 | ε=0.9 | 平均 | |
150 μm比250 μm增量 | 9% | 6.8% | 7.7% | 5.4% | 5.3% | 5.4% | 5.9% | 9.3% | 10.3% | 7.2% |
50 μm比150μm增量 | 13.3% | 9.8% | 8.3% | 7.5% | 5.6% | 7.5% | 8.3% | 7.7% | 7.7% | 8.4% |
图12 t=10 s时刻CaO颗粒内部CO2浓度及流线分布图 (a) θ=0°;(b) θ=10°;(c) θ=20°;(d) θ=30°;(e) θ=40°;(f) θ=50°
Fig.12 CO2 concentration inside CaO particle and streamline distribution at t=10 s (a) θ=0°; (b) θ=10°; (c) θ=20°; (d) θ=30°; (e) θ=40°; (f) θ=50°
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