李　麟，陸　梁，孫　磊，崔　堯，陳震芳

(1.上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗所，上?！?00093;2.上海上電電力工程有限公司，上?！?00090;3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限公司，上?！?00240)

流態(tài)化現(xiàn)象是指固體顆粒在流體(氣體或液體)的作用下懸浮在流體中跳動或隨流體流動的現(xiàn)象[1]。運(yùn)用該原理的氣固流化床是能源、化工、石油、冶金行業(yè)中的重要設(shè)備[2]。近年來，隨著流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展，微顆粒流態(tài)化在煤粉流態(tài)化燃燒、物料干燥等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。以FLUENT為數(shù)值計算工具采用歐拉雙流體模型，對不同顆粒粒徑在流化床模型內(nèi)的流態(tài)化情況進(jìn)行模擬研究。

1　數(shù)值模擬方法

1.1　數(shù)值計算理論

氣固兩相流CFD的模擬方法通常有歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法[3]。采用歐拉-歐拉方法進(jìn)行研究，將假定流體相和固體相均為連續(xù)，可以相互穿透的流體。流體與固體相均以體積分率進(jìn)行表示，固體顆粒間相互作用采用顆粒動力學(xué)的方法，氣固間動量交換采用經(jīng)驗性曳力模型進(jìn)行描述。以下為該次模擬中采用的歐拉-歐拉方法的控制方程組：

εg+εp=1

(1)

式中εg和εp——表示氣相和固相體積分率。

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)、(3)和式(2)、(4)為分別氣相和固相的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。其中，σ為雷諾應(yīng)力；g為重力加速度；-αp表示兩相間的相互作用力(曳力和浮力)[4]。本次模擬中采用的Gidaspow模型曳力系數(shù)[5]定義如下：

(6)

(7)

式中CD0——單顆粒曳力系數(shù)。

氣相湍流輸運(yùn)方程采用k-ε雙方程模型[6]：

(8)

(9)

1.2　數(shù)值網(wǎng)格和計算設(shè)置

數(shù)值計算采用了寬度為0.186 m，高度為1.600 m的流化床模型。其計算網(wǎng)格和邊界設(shè)置如圖1所示。

圖1　計算網(wǎng)格和邊界設(shè)置

該套網(wǎng)格有88 911個運(yùn)算節(jié)點，計算模型下端設(shè)置為速度進(jìn)口，其采用自定義函數(shù)定義進(jìn)口速度為拋物線分布，其中心最大處速度大小是1.0 m/s，近壁面處速度為0.5 m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，其他壁面均為標(biāo)準(zhǔn)壁面。流態(tài)化過程不考慮傳熱，化學(xué)反應(yīng)等過程的作用。靜止床層的高度為0.382 m，固相體積分率考慮顆粒粒徑因素在0.56～0.85范圍內(nèi)選取。

數(shù)值模擬過程采用歐拉兩相流模型，將顆粒作為擬流體進(jìn)行近似處理，選取k-e模型，曳力模型為Gidaspow模型，顆粒碰撞還原系數(shù)為0.9。計算時初定時間步長為0.000 5 s。

粒徑參考照Geldart[7]理論進(jìn)行選取，如表1所示。

表1　數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

本模擬計算主要是在其他條件保持適當(dāng)值時，通過不斷改變顆粒粒徑來進(jìn)行比較分析，根據(jù)床內(nèi)固相體積分率隨時間的變化來分析其流態(tài)化特性的異同。

2　模擬結(jié)果與分析

顆粒粒徑為500、50、5 μm以及0.4 μm的流化床內(nèi)固相體積分率隨時間變化規(guī)律如圖2～圖5所示。

圖2　流化床內(nèi)固相體積分率隨時間變化規(guī)律(顆粒粒徑500 μm)

由圖2可以看出，在0 s時，沒有氣流進(jìn)入，靜止床層高度為0.382 m，流化床中處于靜止?fàn)顟B(tài)。在0.1 s處，有速度呈類拋物線分布的氣流通過進(jìn)氣口進(jìn)入床層，顆粒在氣流的作用下上移一小段距離后在底部產(chǎn)生小氣泡；在0.3 s處，氣泡逐漸長大，并在底部再次產(chǎn)生了兩個近似對稱的小氣泡；在0.5 s時，最初產(chǎn)生的氣泡不斷長大并產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動；在0.6 s，0.7 s時，大氣泡運(yùn)動到靜止床層的頂部，開始破裂。在1 s時，大氣泡破裂，第二層兩個氣泡繼續(xù)向上，床的底部不斷產(chǎn)生新的氣泡群。1.5 s處，底部開始產(chǎn)生不規(guī)則的氣泡運(yùn)動，此后，顆粒在床體內(nèi)翻騰流化。由圖3至圖5可知，顆粒粒徑D=50 μm、D=5 μm以及D=0.4 μm的流態(tài)化情況初期基本與顆粒粒徑D=500 μm時的情況基本一致，但是在氣泡尺寸和形狀方面有一定的差異。在開始形成流態(tài)化(1.5 s)后，D=50 μm、D=5 μm顆粒粒徑的算例中，流化床上部位置也出現(xiàn)固相分布，即其在頂部固體顆粒在氣流的攜帶上進(jìn)入上部并進(jìn)行翻騰并最終流出反應(yīng)區(qū)域。而D=0.4 μm顆粒粒徑的算例中，氣泡形成后并沒有明顯的破裂階段，而是和周圍固相不斷融合。這與納米級顆粒粒度可能會出現(xiàn)的顆粒凝聚[8]有一定的關(guān)系。而后由于顆粒粒徑過小，大部分顆粒被吹出了反應(yīng)器。

圖3　流化床內(nèi)固相體積分率隨時間變化規(guī)律(顆粒粒徑50 μm)

圖4　流化床內(nèi)固相體積分率隨時間變化規(guī)律(顆粒粒徑5 μm)

圖5　流化床內(nèi)固相體積分率隨時間變化規(guī)律(顆粒粒徑0.4 μm)

3　結(jié)語

(1)隨著顆粒直徑的逐漸減小，固含率的增加，氣泡成長過程的時間逐漸增加。產(chǎn)生的氣泡性質(zhì)也開始發(fā)生變化，顆粒細(xì)化到一定程度后，氣泡在成長過程中，與周圍進(jìn)行較為明顯的物質(zhì)交換。

(2)顆粒直徑減小到一定程度后，床內(nèi)會出現(xiàn)大氣泡未脫落，小氣泡不斷產(chǎn)生并不斷融入大氣泡的現(xiàn)象。與此同時，大氣泡以較快的速度與外部進(jìn)行物質(zhì)交換，最終大氣泡會布滿整個床體并吹出床體。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳占松, 馬潤田, 汪展文. 流態(tài)化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用: “研究生教育創(chuàng)新工程”化工類研究生教學(xué)用書[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

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[3]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析: CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

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[8]孫玉繡, 張大偉, 金政偉. 納米材料的制備方法及其應(yīng)用[M]. 北京:中國紡織出版社, 2010.