鼓泡流化床內稠密氣固兩相流大渦數值模擬

鄭建祥，宋青雨，陳　濤，李時光

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

?

鼓泡流化床內稠密氣固兩相流大渦數值模擬

鄭建祥，宋青雨，陳濤，李時光

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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

關鍵詞：鼓泡流化床;大渦模擬;氣固兩相流;湍流

當前，在解決氣固兩相流動問題上，數值模擬已日益重要。氣固兩相流中的對氣相湍流的模擬主要有雷諾平均數值模擬方法(RANS)、直接數值模擬方法(DNS)、 大 渦 模 擬 方 法 (LES)和離散渦數值模擬方法(DVS)[1]。 大渦模擬(LES)同時包含了直接數值模擬(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 數和較復雜的幾何結構的流動，與 RANS 相比可獲得更多的脈動信息，在湍流的數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模擬了旋轉的U型管道流，研究結果表明LES模型比RANS模型能更好的預報湍流。Gui[6]等人采用離散元和大渦(DEM-LES)相結合的方法模擬了三維鼓泡流化床內的流動，并對氣相采用LES和不采用LES進行了比較，發(fā)現采用LES的模擬結果更接近實驗結果。 鼓泡流化床具有無運動部件、結構簡單、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，在工業(yè)中得到了廣泛應用。氣泡是鼓泡流化床中最重要的現象，判斷床層中是否會發(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狀態(tài)，同時也引起了周圍固體顆粒的特定運動，氣固間相互作用造成床層中物料迅速而充分的混合。所以，研究流化床內的氣固兩相流動，對改善兩相流動，提高兩相間反應有重要的意義[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理學理論，類比 Favre 濾波方法，采用體積分數加權平均方法，分別對氣相和顆粒相的質量守恒方程和動量守恒方程以及擬顆粒溫度方程進行過濾，建立稠密氣固兩相流雙流體大渦模擬模型。

對于氣相

(1)

對于顆粒相

(2)

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

動量守恒方程，對于氣相

(3)

對于顆粒相

(4)

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

其中，顆粒相與氣體相的應力張量如下所示：

(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　平板型的噴動流化床示意圖

2鼓泡流化床內氣固兩相流動特性模擬

2.1計算模型及初始、邊界條件

圖1為本節(jié)要研究的布風板為平板型的噴動流化床示意圖，圖中數值單位為mm。表1為初始參數，底部為噴動氣流進入容器的通道，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，底部為噴動氣入口int，頂部為壓力出口，其余部分設為墻體wall。

表1　初始參數

2.2計算模型分析

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

圖2　氣泡的尾渦型濃度圖

圖3　瞬時顆粒相和氣相的可解尺度速度分布

圖4　瞬時顆粒相和氣相的濃度分布

圖5　模擬時均顆粒濃度分布與Taghipour實驗值的比較

2.3計算結果及與實驗對比分析

在氣固兩相流中，氣泡的存在對流動結構有很大的影響。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，氣泡的形狀也會因為其它氣泡的接近而發(fā)生改變。應用雙流體模型進行模擬時，通常采用特定的固相濃度作為界定氣泡邊緣的標準，本文依據Jung等的定義，采用顆粒濃度0.15作為標準。

圖2給出了氣泡的尾渦型聚并過程，各分圖時間間隔為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入其尾渦區(qū)，由于尾渦區(qū)為一局部低壓區(qū)，對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)，進入上面的氣泡，兩個氣泡合并為一個氣泡。

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

圖4表示的是表觀氣體速度為0.4m/s 時的瞬時顆粒濃度分布。從圖中可以看出氣泡在底部布風板處開始生成，在向上運動穿過床層的過程中，氣泡之間不斷的發(fā)生聚并，同時體積較大的氣泡不斷破裂，氣固相間發(fā)生強烈的作用，導致氣體和顆粒的流動呈現出不穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的平衡遭到破壞。高濃度顆粒區(qū)域多出現于壁面附近，這表示氣泡是沿床中心區(qū)域向上運動的。徑向顆粒運動與氣體表觀速度有關，增加進氣速率可以加快中心區(qū)域氣泡的運動。中心區(qū)域的顆粒逐漸上升，壁面附近的顆粒逐漸向下運動，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，懸浮顆粒運動。氣體速度0.4 m/s時，床高y/D=0.375和y/D=1.25處顆粒相的時均可解尺度軸向和徑向速度(簡稱時均顆粒相軸向和徑向速度)與Yuu等[11]人實驗結果比較，圖中正值表示顆粒向上或者向右運動，負值表示顆粒向下或者向左運動。從圖4中可以看出，在高度y/D=1.25處，實驗和模擬的結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動，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；同時顆粒相在床層內沿徑向方向往復運動，在鼓泡流化床內形成宏觀循環(huán)運動，模擬結果與實驗結果相吻合。

圖5表示模擬計算時均顆粒濃度與Taghipour等人[12]實測顆粒濃度的比較。由圖5中可知，模擬計算和實測結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，床層內顆粒濃度沿徑向方向呈現中間低邊壁高的分布趨勢。結合圖4可以看出，在床中心由于氣泡的運動形成了低濃度的顆粒上升流動，在壁面區(qū)域是高濃度的下降顆粒流動。模擬結果反映了鼓泡床內氣體和顆粒的宏觀流動結構，模擬計算得到的時均顆粒濃度與 Taghipour 等實測結果基本吻合。

3結語

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氣固兩相流動過程；模擬觀察到流化床中氣泡的長大、合并和破碎的運動過程，得到床內氣相和顆粒相時均速度和濃度等分布；模擬結果與Yuu等人實測顆粒速度和Taghipour等人實測顆粒濃度結果相吻合。

參考文獻

[1]岑可法等編.循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京: 中國電力出版社，1998，32(6)：72-76.

[2]賴炎顯，李春萱，楊天徐，閻新鋒，房靖華.鼓泡流化床燃燒技術討論[J].熱力發(fā)電，2008，37(12)：1-4.

[3]鄭建祥，王燕.噴動流化床氣固兩相流數值模擬[J].東北電力大學學報，2012，12(2)： 206-217.

[4]歐陽潔，李靜海.模擬氣固流化系統(tǒng)的數值方法[J].應用基礎與工程科學學報，1999，7(4)：334-345.

[5]P.Guleren，Hrenya C M，Sinclair J L.Effects of Particulate-Phase Turbulence in Gas-Solid Flows[J].AIChE，1997，43(4)：853-869.

[6]N.Gui，Hsiau S S.DEM Simulation of Particle Mixing in a Sheared Granular Flow[J].Particuology，2008，(6)：445-454.

[7]楊寧，葛蔚，王維，李靜海.非均勻氣固流態(tài)化系統(tǒng)中顆粒流體相間作用的計算[J].東北電力大學學報，2014，34(5): 538-542.

[8]N.Simonin，J.R.Fan，K.Luo.DEM-LES Study of 3-D Bubbling Fluidized Bed with Immersed Tubes[J].Chemical Engineering Science，2008，63(17): 3654-3663.

[9]E.Riber，M.Moreat，O.Simonin，B.Cuenot.Development of Euler-Euler LES Approach for Gas-particle Turbulent Jet Flow[J].2006 ASME Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting，2006，23(10): 624-753.

[10] Y.Igci，A.T.Andrews，S.Sundaresan，S.Pannala，T.O’Brien.Filtered Two-fluid Models for Fluidized Gas-particle Suspensions[J].A.I.Ch.E.Journal，2008，54(9): 1431-1448.

[11] Taghipour，S.A.Fraser.Circulating Fluidized Bed Boiler[M].Boston: Butterworths-Heine-mann，1991，36(4): 523-538.

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，東北電力大學能源與動力工程學院副教授，博士，主要研究方向：氣固兩相流動特性研究.

文章編號：1005-2992(2016)02-00072-04

中圖分類號：V435

文獻標識碼：A