流化床內(nèi)稠密氣固兩相流的數(shù)值模擬

羅碧輝,鄭艷真，張建輝

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

流化床內(nèi)稠密氣固兩相流的數(shù)值模擬

羅碧輝,鄭艷真，張建輝

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

采用FLUENT軟件對(duì)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流進(jìn)行模擬，研究爐體結(jié)構(gòu)和入口氣體速度對(duì)沉積爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)的影響.結(jié)果表明，在錐角為60°的沉積爐內(nèi)形成的散式流化床具有“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)，且相對(duì)于平底結(jié)構(gòu)沉積爐具有較長的氣體滯留時(shí)間，有利于制備結(jié)構(gòu)均勻，質(zhì)量優(yōu)良的熱解炭涂層材料.入口氣體速度不宜過大或過小，過小的入口氣體速度導(dǎo)致沉積爐內(nèi)顆粒速度分布混亂，無法形成“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)，過大的入口氣體速度導(dǎo)致沉積爐內(nèi)顆粒出現(xiàn)返混現(xiàn)象.此外，當(dāng)入口氣體速度增加時(shí)，沉積爐內(nèi)中心區(qū)域的氣相和顆粒平均速度都逐漸增加，而對(duì)氣相速度的影響較為明顯，對(duì)顆粒速度的影響相對(duì)較小.

流化床；氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)；數(shù)值模擬

0 引 言

流化床化學(xué)氣相沉積(Fluidized Bed Chemical Vapor Deposition，F(xiàn)BCVD)工藝是將流化床技術(shù)和化學(xué)氣相沉積法相結(jié)合的一種新型材料制備工藝[1].FBCVD工藝起初應(yīng)用于核燃料領(lǐng)域，用于制備核燃料顆粒包覆層，隨著工藝的進(jìn)步，F(xiàn)BCVD工藝逐漸被應(yīng)用于功能涂層材料、納米材料及粉體改性等領(lǐng)域[2-5].在功能涂層材料領(lǐng)域，F(xiàn)BCVD工藝是制備各向同性熱解炭涂層材料的主要工藝[6].為了分析各向同性熱解炭涂層材料的結(jié)構(gòu)、性能及沉積機(jī)理，需要對(duì)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流進(jìn)行研究.在數(shù)值模擬方面，對(duì)鼓泡床和循環(huán)流化床的研究較多，也有對(duì)湍動(dòng)流化床的研究分析，而對(duì)散式流化床的研究較少[7-9].本文針對(duì)制備熱解炭所需的散式流化床，基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，采用FLUENT軟件對(duì)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流進(jìn)行模擬，并探討了爐體結(jié)構(gòu)和入口氣體速度對(duì)沉積爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)的影響.

1 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型

本文針對(duì)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流進(jìn)行模擬，由于床層內(nèi)固體顆粒濃度較高，因此可以將固體顆粒相看作“擬流體”即作為假想的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，故采用歐拉—?dú)W拉雙流體模型.歐拉—?dú)W拉雙流體模型是將稠密氣固兩相看成是兩個(gè)相互滲透、耦合但具有不同運(yùn)動(dòng)特征的連續(xù)介質(zhì)，其流動(dòng)特性是通過復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系為固相顆粒創(chuàng)建類似于連續(xù)介質(zhì)相的守恒方程來加以描述的，這樣固體顆粒和氣相均可采用連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程來表示.固體顆粒間的相互作用采用顆粒動(dòng)理學(xué)進(jìn)行模擬，氣固相間作用采用Gidaspow曳力模型進(jìn)行耦合，氣相湍流特性采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬分析.

1.1 控制方程

1.1.1 連續(xù)性方程

對(duì)于氣相：

(1)

對(duì)于固相：

(2)

其中，g，s分別代表氣相和固相；ρ代表各相的密度(kg/m3)；α代表各相的體積分?jǐn)?shù)；u代表各相的速度矢量(m/s).

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

對(duì)于氣相：

(3)

對(duì)于固相：

(4)

其中，p表示壓力(Pa)；g表示重力加速度(m/s2)；β表示氣固相間曳力系數(shù)；τg是氣相的應(yīng)力張量(kg/m·s)；τs是固相的應(yīng)力張量(kg/m·s).

2 幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件

本文使用FLUENT軟件中專用的ICEMCFD程序建立幾何模型和網(wǎng)格劃分.為了研究爐體結(jié)構(gòu)和氣體流量對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響，設(shè)計(jì)了3種不同爐體結(jié)構(gòu)的流化床，如圖1所示.實(shí)際的流化床為圓柱體結(jié)構(gòu)，由于其良好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，采用二維幾何模型代替三維模型對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)論的影響并不大，因此，為了減少計(jì)算量，采用簡化的二維幾何模型模擬流化床內(nèi)稠密氣固兩相流.

CFD計(jì)算結(jié)果最終的精度及計(jì)算過程的效率主要取決于所生成的網(wǎng)絡(luò)與所采用的算法.成功高效的數(shù)值計(jì)算，只有在網(wǎng)格的生成及求解流場的算法這兩者之間有良好的匹配時(shí)才能實(shí)現(xiàn)[10].因此，網(wǎng)絡(luò)劃分直接影響計(jì)算精度.由于本文中的爐體結(jié)構(gòu)較為簡單，在保證計(jì)算精度的前提下選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，并采用Angle和2×2×2方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果符合計(jì)算要求.圖2是ICEMCFD軟件劃分的3種爐體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量分別是5 000，5 300和3 200.

圖1 3種不同爐體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)流化床(mm)

圖2 ICEM CFD軟件劃分的3種爐體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)

流化床的邊界條件包括爐底速度入口邊界、爐頂壓力出口邊界和壁面邊界.在爐底采用均勻進(jìn)氣的方式，并根據(jù)3種爐體結(jié)構(gòu)，將氣體流量換算成入口氣體速度為1.146m/s和0.214 8m/s，而研究在不同入口氣體速度時(shí)瞬時(shí)固相顆粒濃度分布時(shí)，錐角為60°的流化床的入口氣體速度分別為0.881m/s，1.146m/s，1.411m/s和1.146m/s.固體顆粒的初始入口速度為0m/s.爐頂?shù)倪吔鐬閴毫Τ隹谶吔?，初始出口壓力?Pa.除了爐體進(jìn)出口，其余邊界均為壁面(wall)邊界，且為無滑移(NoSlip)壁面邊界條件.

3 數(shù)值模擬的結(jié)果和分析

3.1 沉積爐的錐角對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響

圖3為3種不同結(jié)構(gòu)沉積爐內(nèi)的瞬時(shí)固相顆粒濃度分布.需要說明的是，不同的氣體進(jìn)口速度會(huì)在爐體內(nèi)形成不同的流化床類型，而不同的爐體結(jié)構(gòu)也影響形成散式流化床所需的氣體進(jìn)口速度.(c)沉積爐為平底結(jié)構(gòu)，相對(duì)于(a)，(b)沉積爐結(jié)構(gòu)具有明顯的區(qū)別，在氣體進(jìn)口速度低于0.2m/s時(shí)形成固定床，在高于0.25m/s時(shí)形成鼓泡床，只有在0.22m/s左右時(shí)才能形成散式床，因此，為了形成散式床，(a)，(b)沉積爐的氣體進(jìn)口速度為1.146m/s，(c)沉積爐的氣體進(jìn)口速度為0.214 8m/s.結(jié)果表明：1)3種沉積爐分別經(jīng)過0.36s，0.56s和1.70s后形成散式床；2)不同結(jié)構(gòu)的爐體在床壁處均會(huì)形成氣泡，而在爐體中心區(qū)域會(huì)形成散式流化床，且顆粒濃度分布均勻；3)顆粒濃度和氣相分布均勻，使得化學(xué)反應(yīng)也較為統(tǒng)一，有利于制備結(jié)構(gòu)均勻的熱解炭涂層.

圖3 3種不同結(jié)構(gòu)沉積爐內(nèi)的瞬時(shí)固相顆粒濃度分布

圖4為3種不同結(jié)構(gòu)爐體內(nèi)顆粒沿X軸的速度分布圖.設(shè)X方向?yàn)闋t體水平方向，Y方向?yàn)闋t體垂直方向，由圖4可知，爐內(nèi)顆粒速度會(huì)隨著高度H的增加而減小，并且由于壁面處氣體流速較大，越靠近壁面顆粒速度越大.在沉積爐(a)中，顆粒速度分布較為分散，沒有明顯運(yùn)動(dòng)規(guī)律；而在沉積爐(b)，(c)中，可以明顯看出靠近壁面處的顆粒速度為正，即向上運(yùn)動(dòng)，而靠近中心區(qū)域的顆粒速度為負(fù)，即向下運(yùn)動(dòng)，形成“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)[11].“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)是指沉積爐內(nèi)靠近中心區(qū)域時(shí)固體顆粒向下運(yùn)動(dòng)，靠近壁面處時(shí)固體顆粒向上運(yùn)動(dòng)，形成規(guī)律的上下循環(huán)運(yùn)動(dòng).這種內(nèi)循環(huán)的“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)使得基體也在爐內(nèi)上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)，并和氣相充分接觸，有利于制備出結(jié)構(gòu)均勻，質(zhì)量優(yōu)良的熱解炭涂層.而沉積爐(c)形成“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)的散式流化床所需氣體體積流量是沉積爐(b)的3倍，根據(jù)氣體滯留時(shí)間τ(s)計(jì)算公式[12]：

(5)

式中，VR為凈空間體積；Q為氣體體積流量；T0為室溫；T為爐內(nèi)溫度；P為爐內(nèi)壓力；P0為室壓.而在氣體滯留時(shí)間的計(jì)算中一般不考慮溫度和壓力的影響[13]，沉積爐(b)和(c)的凈空間體積相同，因而氣體流量Q決定了滯留時(shí)間的不同，且沉積爐(c)的氣體滯留時(shí)間只有沉積爐(b)的1/3，這大大影響了氣相反應(yīng)程度，故認(rèn)為錐角為60°的沉積爐更加有利于制備出結(jié)構(gòu)均勻，質(zhì)量優(yōu)良的熱解炭涂層.

圖4 3種不同結(jié)構(gòu)爐體內(nèi)顆粒沿x軸的速度分布圖

3.2 入口氣體速度對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響

針對(duì)錐角為60°的沉積爐，研究在不同入口氣體速度時(shí)瞬時(shí)固相顆粒濃度分布.入口氣體速度根據(jù)反應(yīng)所需的氣體滯留時(shí)間τ來確定，流動(dòng)狀態(tài)如圖5所示.由圖5可知，氣體速度在0.881～1.676 m/s的范圍內(nèi)，沉積爐內(nèi)均為散式流化床，只有在床壁面處有氣泡產(chǎn)生，這表明錐角為60°的沉積爐可以在較大的入口氣體速度范圍內(nèi)均能形成散式流化床，具有較大的操作范圍.

圖6為不同入口氣體速度下顆粒沿X軸的速度分布圖.由圖6可知，在入口氣體速度為0.881 m/s時(shí)，沉積爐內(nèi)顆粒速度分布分散，運(yùn)動(dòng)混亂；而入口氣體速度為在1.146 m/s，1.411 m/s和1.676 m/s時(shí)，均能在沉積爐內(nèi)形成“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)，但是大部分截面均存在沿Y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的顆粒，尤其是當(dāng)入口氣體速度為1.676 m/s時(shí)，出現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的顆粒，這說明沉積爐內(nèi)出現(xiàn)顆粒返混[14]的現(xiàn)象，返混現(xiàn)象不但能夠影響氣相組成和化學(xué)反應(yīng)，同樣也會(huì)影響熱解炭沉積的速率和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱解炭涂層的結(jié)構(gòu)不均勻.這表明當(dāng)入口氣體速度過小時(shí)，沉積爐內(nèi)不能形成“環(huán)-核”結(jié)構(gòu)的散式流化床，且顆粒運(yùn)動(dòng)混亂；當(dāng)入口氣體速度過大時(shí)，沉積爐出現(xiàn)顆粒返混現(xiàn)象，不利于制備結(jié)構(gòu)均勻的熱解炭涂層.

圖6 不同入口氣體速度下顆粒沿x軸的速度分布圖

圖7為入口氣體速度和沉積爐中心區(qū)域內(nèi)氣相和顆粒速度的關(guān)系.針對(duì)錐角為60°的沉積爐采用FLUENT軟件運(yùn)算，獲得沉積時(shí)間分別為1 s，3 s，5 s和7 s時(shí)的數(shù)據(jù)，得到不同高度截面的沉積爐中心區(qū)域(直徑為30 mm的圓柱區(qū)域)處的氣相和顆粒平均速度.由圖7可知，顆粒和氣相平均速度隨著入口氣體速度的增加而增加，而入口氣體速度對(duì)氣相平均速度影響較大，對(duì)顆粒平均速度影響較小.

圖7 入口氣體速度和沉積爐中心區(qū)域內(nèi)氣相和顆粒速度的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文采用FLUENT軟件對(duì)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流進(jìn)行模擬，研究了爐體結(jié)構(gòu)和入口氣體速度對(duì)沉積爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)的影響.結(jié)果表明,在入口氣體速度為1.146 m/s～1.411 m/s之間且沉積爐錐角為60°時(shí)，所制備的熱解炭涂層性能最佳.在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三維模型和穩(wěn)態(tài)流化床數(shù)值模擬分析是下一步研究的重點(diǎn).

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Numerical Simulation of Dense Gas-solid Two Phase Flows in Fluidized Beds

LUO Bihui, ZHENG Yanzhen, ZHANG Jianhui

(SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

To investigate the effect of the furnace structure and inlet gas velocity on the flow behavior of gas and particles in fluidized beds, numerical simulation of dense gas-solid two phase flows in fluidized beds was simulated using FLUENT software. The results show that the dispersion fluidized bed formed in depositing furnace with 60° cone angle has core-annulus flow structure and longer gas residence time, which is beneficial to prepare the Si-LTIC coating with uniform structure and excellent quality. Inlet gas velocity should be moderate, the slow inlet gas velocity leads to the chaos of the particle velocity distribution, which cannot form the core-annulus flow structure; the fast inlet gas velocity leads to the back mixing of particles. In addition, as the inlet gas velocity increases, the gas-phase velocity significantly increases and the particle velocity slowly increases.

fluidized bed; gas-solid two phase flows; numerical simulation

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.013

2016-08-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975070)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY12E05002)

羅碧輝(1991-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，人工心瓣熱解炭材料.通信作者：張建輝教授，E-mail：zhangjh@hdu.edu.cn.

TQ021.1

A

1001-9146(2017)02-0062-06