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    鼓泡流化床氣固兩相流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

    2012-07-26 07:30:20周明哲
    節(jié)能技術(shù) 2012年4期
    關(guān)鍵詞:歐拉流化床氣相

    周明哲

    (大慶油田電力工程設(shè)計(jì)院,黑龍江 大慶163453)

    0 引言

    流化床鍋爐具有高效、低污染、煤種適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn),因此在世界各主要工業(yè)化國(guó)家得到了迅速發(fā)展。流化床內(nèi)為典型的氣固兩相流動(dòng),流體動(dòng)力特性十分復(fù)雜,目前仍然有許多問(wèn)題需要解決[1]。隨著計(jì)算機(jī)速度和計(jì)算方法的發(fā)展,應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究氣固兩相流動(dòng)特性取得了蓬勃發(fā)展[2-4]。目前常用的兩種數(shù)值計(jì)算為:歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。前者認(rèn)為氣相是連續(xù)相,直接求解Navier-Stokes方程,而離散相是通過(guò)跟蹤流場(chǎng)中離散顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)。離散相和流體相之間可以有動(dòng)量和能量交換。由于計(jì)算工作量大,使得該方法不適合于模擬高濃度流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)。后者將顆粒相看作一種假想的連續(xù)介質(zhì),即所謂的“擬流體”,兩相之間在數(shù)學(xué)上被當(dāng)作互相滲透的連續(xù)體,兩相同在歐拉坐標(biāo)系下處理,一相所占的體積無(wú)法再被其他相占有,采用類似于Navier-Stokes方程的形式,考慮氣固兩相相間作用,建立氣固兩相流動(dòng)模型和本構(gòu)方程,研究氣固兩相流動(dòng)特性。模型假設(shè)各相體積率是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù),各相的體積率之和等于1。從各相的守恒方程可以推導(dǎo)出一組方程,這些方程對(duì)于所有的相都具有類似的形式。從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關(guān)系,從而能使上述方程封閉,對(duì)于小顆粒流,則可以通過(guò)應(yīng)用分子運(yùn)動(dòng)論的理論使方程封閉。已有一些學(xué)者采用該方法研究了流化床內(nèi)氣固流動(dòng)特性。如H.Arastoopour[5]用FLUENT軟件模擬了流化床單個(gè)氣泡的行為,并與Gidaspow的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。C.Guenther和M.Syamlal[6]對(duì)流化床內(nèi)氣泡的生成、運(yùn)動(dòng)到破裂過(guò)程進(jìn)行了二維的數(shù)值模擬。徐祥等[7]基于Eulerian雙流體模型,建立了流化床內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)模型,對(duì)流化床密相區(qū)兩相流動(dòng)特性、床內(nèi)氣泡的產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和爆裂等特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

    本文應(yīng)用歐拉-歐拉雙流體模型對(duì)多孔布風(fēng)鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,建立了適于稠密氣固流化床的雙流體動(dòng)力學(xué)模型,研究了床內(nèi)氣泡和顆粒相的運(yùn)動(dòng)特性,得到較為滿意的結(jié)果。

    1 數(shù)學(xué)模型

    1.1 質(zhì)量守恒方程

    氣相

    固相

    式中 αg——?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù);

    αs——固相體積分?jǐn)?shù);

    ρg——?dú)庀嗝芏?

    ρs——固相密度;

    vg——?dú)庀嗨俣?

    vs——固相速度。

    1.2 動(dòng)量守恒方程

    氣相

    固相

    式中pg——?dú)庀鄩毫?

    ps——固相壓力;

    g——重力加速度;

    β——?dú)夤滔嚅g作用系數(shù)。

    1.3 封閉方程組

    氣固間相互作用系數(shù)模型采用Syamlal-O’Brien模型。曳力函數(shù)采用Dalla Valle[8]給出的形式

    雷諾數(shù)Re

    粘性流體本構(gòu)方程,根據(jù)費(fèi)祥麟[9]有

    氣相應(yīng)力pgij

    式中 μ'g——?dú)庀囿w積粘度。

    固相應(yīng)力psij:

    式中 μ's——固相體積粘度。

    固相摩擦應(yīng)力Tf[9]

    式中 μf——固相摩擦粘度。

    固相壓力ps[9]

    上式e是顆粒-顆粒間的恢復(fù)系數(shù),為0.9。g0為徑向分布函數(shù),采用S.Ogawa,A.Umemura和N.Oshima[10]提出的公式

    通常,αs,max=0.63。

    1.4 模擬參數(shù)

    表1 數(shù)值模擬所需參數(shù)Table.1 Simulation parameters

    2 模擬結(jié)果與討論

    2.1 氣泡的運(yùn)動(dòng)行為

    圖1為不同時(shí)刻流化床內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)行為,從圖中可以看到氣泡在床中的形狀和分布情況,并且可以觀察到單個(gè)氣泡生成、長(zhǎng)大和破裂全過(guò)程。氣泡在布風(fēng)板上或稍高一點(diǎn)的地方形成,并沿床層上升,在此過(guò)程中還伴隨著氣泡的合并和破碎現(xiàn)象。靠壁面處顆粒濃度高于床中心,形成環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于氣泡的擾動(dòng)作用,床內(nèi)氣相和顆粒相之間形成強(qiáng)烈的相互作用,氣固兩相混合均勻。床層高度在氣泡的作用下上下波動(dòng),這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是一致的。

    圖1 鼓泡流化床氣泡的運(yùn)動(dòng)行為模擬Fig 1 Simulation of bubbles movement behavior in the fluidized bed

    2.2 氣固軸向速度的比較

    圖2表示床高375 mm處氣相和固相平均軸向速度的徑向分布。從圖中可以看出,氣相和固相的平均軸向速度曲線都呈現(xiàn)出中間高和兩側(cè)低的特征,氣相平均軸向速度始終高于固相。在流化過(guò)程中,床中心顆粒在氣泡的攜帶下一起上升流動(dòng),同時(shí)隨著氣泡的合并與破碎不斷地被推向壁面區(qū)域。在壁面區(qū)域,由于氣相速度較低,顆粒受重力的作用做下降流動(dòng),在鼓泡流化床中形成了中間顆粒上升兩側(cè)顆粒下降的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)方式。

    圖2 氣相和固相軸向速度的徑向分布Fig.2 The radial distribution of axial velocity of gas and solid

    2.3 不同高度下顆粒軸向速度的徑向分布

    圖3為不同高度下固體顆粒的平均軸向速度的徑向分布,由圖可知,不同高度下顆粒平均軸向速度沿徑向都呈現(xiàn)出中心區(qū)域?yàn)檎诿鎱^(qū)域?yàn)樨?fù)的環(huán)-核流動(dòng)特性。在任一給定高度,顆粒平均軸向速度沿徑向的平均值基本為零。隨著高度的增加,在中心處顆粒平均軸向速度增加,而在壁面處顆粒平均軸向的下行速度也略有增加,這是因?yàn)樵谥行碾S著高度的增加,氣泡不斷合并長(zhǎng)大,速度增大,對(duì)離散顆粒的曳力增加,顆粒被氣相的向上揚(yáng)析速度增大。

    圖3 不同高度的固相軸向速度的徑向分布Fig.3 The radial distribution of axial velocity of solid at different heights

    2.4 氣相壓力沿軸向的變化規(guī)律

    圖4表示氣相壓力沿軸向的變化規(guī)律,圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為相同結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行條件下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn),隨著高度的增加氣相壓力降低,這與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的規(guī)律是相同的。在同一高度下,模擬結(jié)果比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果略低。一是由于在計(jì)算過(guò)程中采用的湍流模型,壁面函數(shù)和差分格式都對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果有一定程度的影響;二是由于實(shí)驗(yàn)值是在三維工況下獲得的,而數(shù)值模擬結(jié)果則是在二維床內(nèi)進(jìn)行的。三是在設(shè)定顆粒粒徑進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),由于采用單一顆粒粒徑與實(shí)驗(yàn)篩分顆粒粒徑存在差別,也導(dǎo)致二者對(duì)比存在誤差。但是總體而言,用歐拉-歐拉雙流體模型對(duì)鼓泡流化床的模擬所得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果較為接近,此模型用于流化床氣固兩相流的模擬是可行的。

    圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的壓力比較Fig.4 The pressure comparison of experimental results and simulative results

    3 結(jié)論

    本文應(yīng)用歐拉-歐拉雙流體模型對(duì)鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明氣泡在布風(fēng)板上部形成并沿床層上升,在此過(guò)程中還伴隨著氣泡的合并和破碎現(xiàn)象,壁面處顆粒濃度高于中心。由于氣泡的擾動(dòng)作用,床內(nèi)氣相和顆粒相之間形成強(qiáng)烈的相互作用,氣固兩相混合均勻。任一高度下顆粒平均軸向速度沿徑向都呈現(xiàn)出中心區(qū)域?yàn)檎诿鎱^(qū)域?yàn)樨?fù)的環(huán)-核流動(dòng)特性。氣泡對(duì)流化床中固體顆粒速度脈動(dòng)的分布具有較大的影響。隨著高度的增加氣相壓力降低。模擬結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

    [1]王懷彬,董永,劉國(guó)印,譚清.內(nèi)循環(huán)流化床研究概況[J].節(jié)能技術(shù),1995,(3):6-9.

    [2]郭宇寧,楊柳,王建.氣固兩相流在可調(diào)煤粉燃燒器中流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].節(jié)能技術(shù),2008,26(5):407-410.

    [3]汪新智,王天宇,李春霆,鵬穩(wěn)根,劉文鐵.鼓泡流化床內(nèi)顆粒分離行為模擬研究[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(3):203-207.

    [4]李錦時(shí),王興盛,畢曉煦,趙慶良.循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)氣固兩相流動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能技術(shù),2008,26(2):129-134.

    [5]H.Arastoopour.Numerical simulation and experimental analysis of gas/solid flow systems:1999 Fluor-Daniel Plenary lecture.Powder Technology.2001,119:59-67.

    [6]C.Guenther,M.Syamlal.The effect of numerical diffusion on simulation of isolated bubbles in a gas-solid fluidized bed.Powder Technoligy.2001,116:142-154.

    [7]徐祥,向文國(guó),秦成虎.流化床密相區(qū)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].熱能動(dòng)力工程,2004,19(2):131-133.

    [8]J.M.Dalla Valle.Micromeritics.Pitman,London,1948.

    [9]費(fèi)祥麟,胡慶康,景思睿.高等流體力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1989:71.

    [10]S.Ogawa,A.Umemura,Oshima.On the Equation of Fully Fluidized Granular Materials.J.Appl.Math.Phys.1980,31:483-490.

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