鄭建祥，宋青雨，陳　濤，李時(shí)光

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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鼓泡流化床內(nèi)稠密氣固兩相流大渦數(shù)值模擬

鄭建祥，宋青雨，陳濤，李時(shí)光

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：大渦數(shù)值模擬方法在單相流中已有較成熟的應(yīng)用，在氣固兩相流應(yīng)用中的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。建立稠密氣固兩相流雙流體大渦數(shù)值模擬(LESg-θ-LESp)模型，研究鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性，模擬觀察到鼓泡流化床中氣泡的長大、合并和破碎的運(yùn)動(dòng)過程。模擬結(jié)果得到了床內(nèi)顆粒相時(shí)，均可解尺度速度和脈動(dòng)速度等分布，與Yuu等實(shí)測結(jié)果相吻合；床內(nèi)顆粒相時(shí)，均濃度分布，與Taghipour 等實(shí)測結(jié)果相吻合。

關(guān)鍵詞：鼓泡流化床;大渦模擬;氣固兩相流;湍流

當(dāng)前，在解決氣固兩相流動(dòng)問題上，數(shù)值模擬已日益重要。氣固兩相流中的對(duì)氣相湍流的模擬主要有雷諾平均數(shù)值模擬方法(RANS)、直接數(shù)值模擬方法(DNS)、 大 渦 模 擬 方 法 (LES)和離散渦數(shù)值模擬方法(DVS)[1]。 大渦模擬(LES)同時(shí)包含了直接數(shù)值模擬(DNS)和雷諾平均法(RANS)的思想，與 DNS 相比，LES 可以用于模擬較高的 Reynold 數(shù)和較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的流動(dòng)，與 RANS 相比可獲得更多的脈動(dòng)信息，在湍流的數(shù)值模擬研究中有著重要的發(fā)展前景[2-4]。Guleren等[5]人采用LES模擬了旋轉(zhuǎn)的U型管道流，研究結(jié)果表明LES模型比RANS模型能更好的預(yù)報(bào)湍流。Gui[6]等人采用離散元和大渦(DEM-LES)相結(jié)合的方法模擬了三維鼓泡流化床內(nèi)的流動(dòng)，并對(duì)氣相采用LES和不采用LES進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)采用LES的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 鼓泡流化床具有無運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡單、熱容量大、傳熱性能好、床層溫度易控制、固體顆粒易處理和更換、沒有磨損和堵塞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。氣泡是鼓泡流化床中最重要的現(xiàn)象，判斷床層中是否會(huì)發(fā)生氣泡，最重要的是固體與流體的密度比，若該比值大于10，該系統(tǒng)就可能產(chǎn)生氣泡。氣泡在其上升過程中不斷分裂和合并，不僅改變了氣體自身通過顆粒床層的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)也引起了周圍固體顆粒的特定運(yùn)動(dòng)，氣固間相互作用造成床層中物料迅速而充分的混合。所以，研究流化床內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，對(duì)改善兩相流動(dòng)，提高兩相間反應(yīng)有重要的意義[7]。

1稠密氣固兩相流雙流體大渦模擬模型

基于雙流體模型和顆粒動(dòng)理學(xué)理論，類比 Favre 濾波方法，采用體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均方法，分別對(duì)氣相和顆粒相的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程以及擬顆粒溫度方程進(jìn)行過濾，建立稠密氣固兩相流雙流體大渦模擬模型。

對(duì)于氣相

(1)

對(duì)于顆粒相

(2)

式中：下角標(biāo)g為氣相；下角標(biāo)s為顆粒相，表示各相所占的空間體積分?jǐn)?shù)；ρ為各相的密度(kg/m3)，表示氣固各相的速度。

動(dòng)量守恒方程，對(duì)于氣相

(3)

對(duì)于顆粒相

(4)

式中：τ為應(yīng)力張量；g為重力加速度，m/s2；p為氣相壓力，Pa；β為曳力系數(shù)。

其中，顆粒相與氣體相的應(yīng)力張量如下所示：

(5)

(6)

式中：I為單位張量；ξs為固體體積粘度；μg為氣體剪切粘度，本文取值為 1.81×10-5Pa·S。

圖1　平板型的噴動(dòng)流化床示意圖

2鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性模擬

2.1計(jì)算模型及初始、邊界條件

圖1為本節(jié)要研究的布風(fēng)板為平板型的噴動(dòng)流化床示意圖，圖中數(shù)值單位為mm。表1為初始參數(shù)，底部為噴動(dòng)氣流進(jìn)入容器的通道，床層底部堆積著顆粒層，其高度為100 mm。在Gambit里畫出幾何模型，底部為噴動(dòng)氣入口int，頂部為壓力出口，其余部分設(shè)為墻體wall。

表1　初始參數(shù)

2.2計(jì)算模型分析

氣固兩相流動(dòng)的控制方程按照稠密氣固兩相流雙流體大渦模型計(jì)算，顆粒相亞格子粘度按照 Simonin 等[8]和Riber[9]等人提出的方法計(jì)算，顆粒相亞格子壓力按照 Igci[10]等人提出的方法計(jì)算。模擬計(jì)算得到的鼓泡流化床內(nèi)瞬時(shí)顆粒濃度分布，模擬中沒有氣泡生成，氣體均勻分布于床內(nèi)，顆粒均勻分布于氣體中，床內(nèi)氣體與顆粒呈現(xiàn)均勻分布，床層均勻膨脹，流化床內(nèi)顆粒呈現(xiàn)散式流態(tài)化的特性，與實(shí)際的氣固聚式流態(tài)化表現(xiàn)出不同的流化特性。

圖2　氣泡的尾渦型濃度圖

圖3　瞬時(shí)顆粒相和氣相的可解尺度速度分布

圖4　瞬時(shí)顆粒相和氣相的濃度分布

圖5　模擬時(shí)均顆粒濃度分布與Taghipour實(shí)驗(yàn)值的比較

2.3計(jì)算結(jié)果及與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

在氣固兩相流中，氣泡的存在對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)有很大的影響。氣泡在上升過程中，可能與其周圍的氣泡合并生成大氣泡，也可能破成小氣泡，氣泡的形狀也會(huì)因?yàn)槠渌鼩馀莸慕咏l(fā)生改變。應(yīng)用雙流體模型進(jìn)行模擬時(shí)，通常采用特定的固相濃度作為界定氣泡邊緣的標(biāo)準(zhǔn)，本文依據(jù)Jung等的定義，采用顆粒濃度0.15作為標(biāo)準(zhǔn)。

圖2給出了氣泡的尾渦型聚并過程，各分圖時(shí)間間隔為0.01 s，圖2中的矢量表示固相速度，下面的氣泡追上上面的氣泡并進(jìn)入其尾渦區(qū)，由于尾渦區(qū)為一局部低壓區(qū)，對(duì)下面的氣泡有吸引作用，最終使得下面的氣泡穿破尾渦區(qū)，進(jìn)入上面的氣泡，兩個(gè)氣泡合并為一個(gè)氣泡。

圖3瞬時(shí)顆粒相和氣相的可解尺度速度分布，各分圖時(shí)間間隔為0.01 s，圖中的矢量表示固相速度。從圖3中可以看出，氣泡下端受到一個(gè)渦流的作用而運(yùn)動(dòng)速度減慢，上端的速度仍保持不變，導(dǎo)致氣泡不斷拉伸變長，隨著時(shí)間的推移，最終使氣泡拉伸位兩個(gè)氣泡。

圖4表示的是表觀氣體速度為0.4m/s 時(shí)的瞬時(shí)顆粒濃度分布。從圖中可以看出氣泡在底部布風(fēng)板處開始生成，在向上運(yùn)動(dòng)穿過床層的過程中，氣泡之間不斷的發(fā)生聚并，同時(shí)體積較大的氣泡不斷破裂，氣固相間發(fā)生強(qiáng)烈的作用，導(dǎo)致氣體和顆粒的流動(dòng)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的平衡遭到破壞。高濃度顆粒區(qū)域多出現(xiàn)于壁面附近，這表示氣泡是沿床中心區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)的。徑向顆粒運(yùn)動(dòng)與氣體表觀速度有關(guān)，增加進(jìn)氣速率可以加快中心區(qū)域氣泡的運(yùn)動(dòng)。中心區(qū)域的顆粒逐漸上升，壁面附近的顆粒逐漸向下運(yùn)動(dòng)，氣泡上升的路徑優(yōu)先選擇的是顆粒濃度較低的中心區(qū)域。從圖4中可以看出，氣體從床底部均勻送入，部分氣體以氣泡的形式通過床層，多余的氣體以為臨界流化速度通過顆粒間隙，懸浮顆粒運(yùn)動(dòng)。氣體速度0.4 m/s時(shí)，床高y/D=0.375和y/D=1.25處顆粒相的時(shí)均可解尺度軸向和徑向速度(簡稱時(shí)均顆粒相軸向和徑向速度)與Yuu等[11]人實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，圖中正值表示顆粒向上或者向右運(yùn)動(dòng)，負(fù)值表示顆粒向下或者向左運(yùn)動(dòng)。從圖4中可以看出，在高度y/D=1.25處，實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果都表明在床中心區(qū)域，顆粒由于氣泡的攜帶作用而向上運(yùn)動(dòng)，壁面附近區(qū)域由于氣體速度較小，氣體作用在顆粒上的曳力減小，顆粒在重力的作用下回落；同時(shí)顆粒相在床層內(nèi)沿徑向方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在鼓泡流化床內(nèi)形成宏觀循環(huán)運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖5表示模擬計(jì)算時(shí)均顆粒濃度與Taghipour等人[12]實(shí)測顆粒濃度的比較。由圖5中可知，模擬計(jì)算和實(shí)測結(jié)果都表明在床中心區(qū)域顆粒濃度低，壁面區(qū)域的顆粒濃度高，床層內(nèi)顆粒濃度沿徑向方向呈現(xiàn)中間低邊壁高的分布趨勢。結(jié)合圖4可以看出，在床中心由于氣泡的運(yùn)動(dòng)形成了低濃度的顆粒上升流動(dòng)，在壁面區(qū)域是高濃度的下降顆粒流動(dòng)。模擬結(jié)果反映了鼓泡床內(nèi)氣體和顆粒的宏觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，模擬計(jì)算得到的時(shí)均顆粒濃度與 Taghipour 等實(shí)測結(jié)果基本吻合。

3結(jié)語

本文修正了高濃度顆粒相壓力，采用了稠密氣固兩相流雙流體大渦模型模擬，研究了鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)過程；模擬觀察到流化床中氣泡的長大、合并和破碎的運(yùn)動(dòng)過程，得到床內(nèi)氣相和顆粒相時(shí)均速度和濃度等分布；模擬結(jié)果與Yuu等人實(shí)測顆粒速度和Taghipour等人實(shí)測顆粒濃度結(jié)果相吻合。

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Large Eddy Approach and Numerical Simulation of Dense Gas-solid Two-phase Flow in Bubling Fluid-bed

ZHEN Jian-xiang，SONG Qing-yu，CHEN Tao，LI Shi-guang

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：With the development of computer technology and computational method，numerical simulation has become one of the most promising methods for studying gas-solid flows.The filerted conseveration equations for gas phase and solid phase are derived，and Euler-Euler two-fluid large eddy simulation of dense gas-solid flows LESg-θ-LESp is presented.The simulated time-averaged particle velocity and fluctuating velocity of particles are agrrement with Yuu et al.experimental data.The predicted concentration of particles agrees with Taghipour et al experimental results.

Key words：Bublbing fluid-bed;Large-eddy simulation;Gas-solid two-phase flow;Heterogeneous reaction

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：鄭建祥(1977-)，男，福建省建甌市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：氣固兩相流動(dòng)特性研究.

文章編號(hào)：1005-2992(2016)02-00072-04

中圖分類號(hào)：V435

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A