流化床冷模布風(fēng)板數(shù)值模擬研究*

李 慧，王 飛，馬新輝

(1.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063；2.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100)

流化床是一種優(yōu)良的生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器，而布風(fēng)板作為流化床的關(guān)鍵部件，除了能支承物料以外，還能保證流化的穩(wěn)定，一定程度上降低壓降[1]。布風(fēng)板布孔排列形式和布孔直徑一直是研究的重點(diǎn)問題之一。

單純通過實(shí)驗(yàn)來研究布風(fēng)板在流化床中的作用周期長、費(fèi)用高，而精確的解析求解又極為困難。計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)是一種有前景的方法，已經(jīng)有研究成功地使用CFD方法來預(yù)測流化床內(nèi)的流動狀態(tài)[2-5]。作者使用CFD商業(yè)軟件包Fluent軟件對循環(huán)流化床冷模布風(fēng)板的開孔直徑和布孔形式做了數(shù)值模擬研究，以期確定布風(fēng)板的最佳結(jié)構(gòu)形式。

1 布風(fēng)板的結(jié)構(gòu)

1.1 流化床入口段平面示意圖

流化床入口段幾何形狀和尺寸和分布板開孔排列形式見圖1。其中，布風(fēng)板開孔形式為正三角形和正方形[6-7]。

作者主要討論3種情況下，布風(fēng)板開孔直徑d和孔間距L對流化床性能的影響。d=0.8 mm，L=2.5；d=1.5 mm，L=3.5 mm和d=3 mm，L=5.5 mm。

圖1 布板位置和結(jié)構(gòu)

1.2 流化床入口段三維簡化模型

為真實(shí)反映孔與孔之間氣流的相互作用與影響，從而更準(zhǔn)確的模擬內(nèi)部流場，模擬實(shí)驗(yàn)采用三維模型。布風(fēng)板和流體的簡化縮小模型之一見圖2，其中，布風(fēng)板開孔形式為正方形排列，開孔直徑為3 mm，開孔間距為5.5 mm。

圖2 布風(fēng)板與流體三維模型

2 數(shù)學(xué)模型

在應(yīng)用FLUENT軟件對圖1所示幾何模型進(jìn)行模擬之前，利用相似原理和歐拉相似準(zhǔn)則[7]對模型進(jìn)行縮小。

相似原理：

(1)

歐拉相似準(zhǔn)則：

(2)

操作工況相同，所以Pm=Pp且Tm=Tp，根據(jù)克拉柏倫方程式PM=ρRT，可得：ρm=ρp，

其中：Lp—實(shí)物總長；Lm—模型總長；dP—實(shí)物直徑；dm—模型直徑；CL—長度系數(shù)；Pp—實(shí)際氣體壓強(qiáng)；Pm—模擬氣體壓強(qiáng)；Tp—實(shí)際氣體溫度；Tm—模擬氣體溫度；Vp—實(shí)際氣體速度；Vm—模擬氣體速度；Eup—實(shí)際氣體歐拉系數(shù)；Eum—模擬氣體歐拉系數(shù)；ρP—實(shí)際氣體密度；ρm—模擬氣體密度；M—實(shí)際氣體分子量；R—摩爾氣體常數(shù)。

邊界條件為入口截面平均氣速為2.6 m/s，操作溫度為25 ℃，操作壓力為0.15 MPa，操作流體為氮?dú)?。?jì)算模型的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 三維流體網(wǎng)格

3 結(jié)果與分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬

正交模擬實(shí)驗(yàn)安排見表1和表2。

表1 布風(fēng)板模擬水平與因子表

表2 布風(fēng)板正交模擬表

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 無布風(fēng)板和有布風(fēng)板(開孔正方形排列d=0.5 mm)比較

流化床內(nèi)沒有設(shè)置布風(fēng)板時(shí)的模擬結(jié)果見圖4和圖6，流化床內(nèi)裝有布風(fēng)板的情況見圖5和圖7。從圖4、圖6中可以看到流體的壓強(qiáng)沿流化床直管段持續(xù)下降，并且管內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，壓強(qiáng)不穩(wěn)定。從圖5、圖7中可以清楚看到有了布風(fēng)板之后，流體通過時(shí)，床內(nèi)壓強(qiáng)迅速穩(wěn)定。圖6中顯示無布風(fēng)板時(shí)流體從入口到出口壓力損失約18.3 Pa；圖7顯示當(dāng)氣體通過有布風(fēng)板的床層時(shí)壓降達(dá)約3.2×104Pa。所以，盡管增加布風(fēng)板可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用，形成等壓室，但是增加布風(fēng)板所造成的壓力損失相當(dāng)大，詳細(xì)模擬所得數(shù)據(jù)見表3。

圖4 無布風(fēng)板壓強(qiáng)云圖(X=0截面)

圖5 有布風(fēng)板壓強(qiáng)云圖(X=0截面)

軸向位置/mm圖6 無布風(fēng)板軸線壓強(qiáng)分布

軸向位置/mm圖7 有布風(fēng)板軸線壓強(qiáng)分布

表3 模擬結(jié)果

3.2.2 有布風(fēng)板時(shí)的速度和壓強(qiáng)分布(正方形和三角形排列)

依據(jù)表2正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13。

圖8、圖10和圖12顯示了流體沿軸線的速度分布曲線。從圖8、圖10、圖12都可以看到，在相同的布孔直徑的情況下，正三角形布孔形式與正方形布孔形式相比，正三角形排列的速度流場更容易達(dá)到穩(wěn)定，且都有峰值速度出現(xiàn)。布風(fēng)板開孔0.8 mm和1.5 mm時(shí)出現(xiàn)了超過60 m/s的最大速度峰值，這主要是因?yàn)椴硷L(fēng)板中心有空的原因。

軸向位置/mm圖8 開孔直徑d=0.8 mm軸向速度圖

軸向位置/mm圖9 開孔直徑d=0.8 mm軸向壓強(qiáng)圖

軸向位置/mm圖10 開孔直徑d=1.5 mm軸向速度圖

軸向位置/mm圖11 開孔直徑d=1.5 mm軸向壓強(qiáng)圖

軸向位置/mm圖12 開孔直徑d=3 mm軸向速度圖

從壓強(qiáng)圖9、圖11、圖13可看出，氣體通過布風(fēng)板的壓力很快就達(dá)到穩(wěn)定，且正三角形排列形式下床內(nèi)的壓降比正方形排列形式下的壓力損失小，壓降低。因此，從減少壓降、控制能量損失這方面來講，選擇正三角形排列的布風(fēng)板更為合適。就曲線發(fā)展趨勢看，相同的布孔形式下，開孔越小對應(yīng)位置上的速度將越小，而壓降則越大。

分析圖8～圖13，可明顯看出，在布風(fēng)板中心開孔對流化床內(nèi)的速度場影響很大，但對壓力場的影響相對較小。因此，從流場穩(wěn)定角度來看，盡量避免在布風(fēng)板中心開孔。

軸向位置/mm圖13 開孔直徑d=3 mm軸向壓強(qiáng)圖

4 結(jié) 論

(1) 在流化床內(nèi)設(shè)置布風(fēng)板有利于床內(nèi)速度場和壓力場的穩(wěn)定；

(2) 布風(fēng)板開孔直徑越小，壓降越大，但流化床內(nèi)的速度場越容易達(dá)到穩(wěn)定；

(3) 布風(fēng)板開孔直徑相同時(shí)，排列方式為等邊三角形比正方形時(shí)壓降更小；

(4) 為了得到較穩(wěn)定的速度場和壓力場，應(yīng)避免在布風(fēng)板中心處開孔。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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