水平管粉煤密相氣力輸送過程截面渦特性的數(shù)值研究

李 鐵，劉 勇，楊志瑞，李婧瑩

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

水平管粉煤密相氣力輸送過程截面渦特性的數(shù)值研究

李 鐵，劉 勇，楊志瑞，李婧瑩

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

基于歐拉-歐拉方法，將顆粒動(dòng)力學(xué)理論與修正的顆粒靜摩擦力模型相結(jié)合，考慮曳力與升力兩種相間作用力，及顆粒間碰撞與摩擦力，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型與小摩擦全滑移邊界條件，對水平管內(nèi)加壓密相氣力輸送過程進(jìn)行數(shù)值模擬。獲得了氣固兩相速度、濃度、湍流強(qiáng)度及壓降梯度分布規(guī)律，與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)規(guī)律吻合較好。通過捕捉瞬態(tài)兩相渦形圖，用漩渦耗散理論解釋了加壓密相氣力輸送的流場規(guī)律，分析了氣固兩相相互耦合條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

漩渦耗散；摩擦應(yīng)力；氣力輸送；加壓密相

干粉進(jìn)料氣流床是一種能夠?qū)崿F(xiàn)加壓條件下連續(xù)供氣的氣化裝置，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的核心技術(shù)。高壓氣化要求粉煤必須要在比氣化更高的壓力下輸送，用盡可能少的載氣(N2)輸送盡可能多的煤粉，一般粉煤濃度高達(dá)300 kg/m-600 kg/m，是典型的密相輸送[1]。密相氣力輸運(yùn)是一種采用低氣速對顆粒進(jìn)行輸運(yùn)的技術(shù)，具有低能耗、低磨損、高效率的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于化工、電力、食品及建筑等行業(yè)。

國內(nèi)外學(xué)者對密相氣固兩相流進(jìn)行了研究。馬勝[2]、謝鍇[3]基于電容層析成像技術(shù)對工業(yè)級水平管粉煤密相氣力輸送系統(tǒng)的流型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，單一工況下水平管輸送流型的不穩(wěn)定性與固相速度、管道壓力等信號(hào)存在一定關(guān)系，流型的顯著變化與壓力信號(hào)的劇烈波動(dòng)相對應(yīng)。Santiago Lain等[4]采用Euler-lagrange方法及k-ε湍流雷諾應(yīng)力模型對直徑為63 mm水平圓管氣力輸運(yùn)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，說明考慮顆粒與壁面及顆粒間的相互作用的重要性。彭小敏等[5]從試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩方面研究了顆粒粒徑對高壓密相煤粉氣力輸送的顆粒流動(dòng)過程影響，結(jié)果顯示：較大顆粒粒徑使密相氣力輸送流型從沉積層流向沙丘流，進(jìn)而向栓塞流的演變過程。由于試驗(yàn)研究受時(shí)間、環(huán)境等條件限制較大，而數(shù)值模擬具有適應(yīng)性強(qiáng)、不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖拗频膬?yōu)點(diǎn)，成為指導(dǎo)水平管加壓密相氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化的有力手段。密相氣力輸送的數(shù)值模型主要有歐拉-拉格朗日模型、雙歐拉模型。歐拉-格朗日模型能夠準(zhǔn)確地模擬顆粒的流動(dòng)軌跡，但是計(jì)算量大，在處理高濃度顆粒流動(dòng)問題時(shí)存在困難。鄭建祥等[6-7]將雙流體模型及顆粒動(dòng)力學(xué)結(jié)合對流化床內(nèi)超細(xì)稠密顆粒氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了模擬，分析了得出了顆粒脈動(dòng)隨顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)增加而變得劇烈，床內(nèi)顆粒分布更均勻，提高噴口速度有利于顆粒流化的結(jié)論。蒲文灝等[8]對現(xiàn)有的顆粒靜摩擦力模型進(jìn)行適當(dāng)修正，結(jié)合顆粒動(dòng)理學(xué)雙流體模型模擬了水平管加壓密相氣力輸送流動(dòng)規(guī)律，但其模型中沒有考慮升力，Johnson等[9]對雙組分相間作用力進(jìn)行了總結(jié)認(rèn)為：任何雙組份流動(dòng)模型中都應(yīng)包括曳力和源于密度梯度的擴(kuò)散力，Slip-shear lift會(huì)隨著體積分?jǐn)?shù)、相對速度、流體密度、流體粘度、流體速度梯度的增大而增加，大多數(shù)情況下不能忽略；李志華等[10]基于CFD理論，采用Fluent 軟件建立了水平管內(nèi)密相散狀物料氣固兩相氣力輸送數(shù)值模型，獲得的密相流動(dòng)狀態(tài)為氣力輸送系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

針對本文的密相氣固兩相流動(dòng)，將升力加進(jìn)顆粒與流體的相互作用中，綜合考慮才能更好地反映水平管密相氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)。升力主要是由于流體相場內(nèi)速度梯度而引起的作用在顆粒相的力，比較Slip-shear lift和Spin lift兩種升力相對大小，一般情況下，前者較后者大的多；摩擦應(yīng)力采用蒲文灝等對Johnson等修正后的模型，同時(shí)考慮曳力及升力兩種相間作用力，并將其與顆粒動(dòng)理學(xué)理論相結(jié)合，建立了可以描述加壓密相氣力輸運(yùn)的氣固紊流流動(dòng)情況的三維兩相流模型。該模型充分考慮了顆粒間碰撞和摩擦力作用，氣相和顆粒相紊流脈動(dòng)以及相間相互作用。利用此模型對水平管高壓密相氣力輸運(yùn)進(jìn)行了三維數(shù)值預(yù)測研究。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對比，對采用的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

1.1.1 連續(xù)性方程

氣相

(1)

固相

(2)

1.1.2 動(dòng)量方程

氣相

(3)

固相

(4)

1.1.3 顆粒相擬溫度輸運(yùn)方程

(5)

式中：右邊第一項(xiàng)為由于顆粒相剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的顆粒脈動(dòng)能；第二項(xiàng)為沿顆粒相擬溫度Θs梯度方向顆粒脈動(dòng)能的耗散；γΘs為顆粒非彈性碰撞導(dǎo)致的耗散率；φgs為氣體和顆粒間脈動(dòng)能交換。其中，kΘ為顆粒相擴(kuò)散系數(shù)。

1.1.4 湍流輸運(yùn)方程

(7)

式中：當(dāng)下標(biāo)i為氣相時(shí)，下標(biāo)l為固相；當(dāng)下標(biāo)i為固相時(shí)，下標(biāo)l為氣相；vi為i相的相平均速度，m/s；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流耗數(shù)率，m2/s2；Gk，i為i相的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

1.2 模擬條件與計(jì)算方法

本文對內(nèi)徑10 mm、長3 m的水平管，粉煤平均粒徑為37 μm和80 μm進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用Gidaspow[11]曳力模型：基于Ergun[12]方程以及Wen & Yu[13]的阻力修正公式。

(1)氣相邊界條件

進(jìn)口，采用光滑管充分發(fā)展湍流流動(dòng)軸向入口速度：

(8)

(9)

其中：Ug為氣相表觀氣速；αs，in為進(jìn)口固相的體積分?jǐn)?shù)；Gg為氣相的體積流量。出口采用壓力出口。壁面采用無滑移邊界條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

(2)固相邊界條件

進(jìn)口，采用均勻分布軸向速度：

(10)

(11)

其中：Ms為固相質(zhì)量流量；μ為固氣比。出口采用壓力出口。

壁面，Johnson and Jackson[14]提出了顆粒材料與固體壁面邊界條件的構(gòu)成，認(rèn)為在壁面處顆粒一部分與壁面碰撞，一部分滑移，碰撞發(fā)生的動(dòng)量及能量傳輸由鏡面反射系數(shù)決定，并應(yīng)用于平板剪切。Benyahia[15]對Johnson and Jackson[14]提出的邊界條件進(jìn)行修正，確定了其中鏡面反射系數(shù)(無法用實(shí)驗(yàn)測得)應(yīng)用于一般問題的過程；Jenkins[16-17]和Louge[18]從力平衡和能量平衡角度給出了顆粒與壁面之間的剪切與脈動(dòng)邊界條件；Soleimani等[19]比較了不同顆粒相壁面邊界條件對水平管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性的影響，認(rèn)為摩擦系數(shù)及恢復(fù)系數(shù)對流動(dòng)的影響很大；本文采用Jenkins和Louge的邊界條件：小摩擦全滑移極限

τw=μps，

(12)

(13)

(3)模擬工況

固相質(zhì)量流量：Ms=0.167 kg/s；固相密度：ρs=1 350 kg/m3；輸送壓力psend=3.3 MPa，其余模擬參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算的工況

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果分析

2.1.1 顆粒相濃度的預(yù)測

圖1 顆粒濃度分布

顆粒質(zhì)量流量為Ms=0.227 kg/s，輸送壓力psend=3.6 MPa，表觀氣速Ug=6.37 m/s，顆粒平均粒徑為80微米時(shí)，圖1(a)為文獻(xiàn)試驗(yàn)采用電容層析成像(ECT)方法得到的顆粒濃度分布；圖1(b)為預(yù)測的顆粒濃度分布相圖。兩者都包括懸浮區(qū)、過渡區(qū)及沉積層，但在模擬結(jié)果中過渡區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了中間粒子濃度高，壁面顆粒濃度低的情況，可能是所采用的升力模型不夠完善，中間兩相速度較大，壓力偏低而使顆粒向中間聚集的原因，今后將進(jìn)一步完善。預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體符合良好，滿足模擬的要求。

2.1.2 顆粒相軸向分布特性

顆粒質(zhì)量流量為Ms=0.167 kg/s，輸送壓力psend=3.3 MPa，表觀氣速Ug=5.88 m/s時(shí)，預(yù)測的管道4個(gè)不同截面處的顆粒濃度分布相圖，如圖2所示。顯然，顆粒的沉積層厚度沿管道流動(dòng)方向逐漸增高，管道上側(cè)懸浮區(qū)域逐漸變大。這是受重力作用的影響使顆粒沉降的結(jié)果，與實(shí)際的物理過程一致。沉積層內(nèi)顆粒濃度呈現(xiàn)下高上低現(xiàn)象，可能是因?yàn)橹亓ψ饔孟律蠈訉Φ讓宇w粒的壓實(shí)作用，還與沉積層內(nèi)顆粒的脈動(dòng)動(dòng)能及顆粒壓力的下降有關(guān)。反映沉積層內(nèi)顆粒相分布并非均勻分布。在X=2 200 mm以后，相圖分布基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，沉積層與懸浮層內(nèi)的物質(zhì)交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖2 不同截面處顆粒分布

2.1.3 兩相速度分布、顆粒相濃度及紊流強(qiáng)度分布

顆粒質(zhì)量流量為Ms=0.167 kg/s，輸送壓力psend=3.3 MPa，表觀氣速Ug=7.85 m/s時(shí)，預(yù)測的管道垂直方向的不同流動(dòng)特性，如圖3所示。其中圖3(a)、圖3(b)分別為氣相速度和顆粒相速度分布，從圖3中看出，兩相速度均呈現(xiàn)下部區(qū)域速度較高，管道上部區(qū)域兩相速度較低，主要受到小摩擦全滑移的壁面邊界條件影響，也可能與上部氣流沖撞形成渦流及二次渦耗散作用的影響有關(guān)。圖3(c)曲線中顆粒相濃度的分布規(guī)律與圖3中下高上低的趨勢相照應(yīng)。圖3(d)中為垂直方向上顆粒相湍流強(qiáng)度的變化曲線，從下至上，總體呈現(xiàn)增大的趨勢，但在底部及頂部由于受到壁面的影響有所下降。

圖3 兩相速度分布、顆粒相濃度及紊流強(qiáng)度分布

2.1.4 阻力特性的預(yù)測

表觀氣速分別為Ug=4.25 m/s、Ug=5.88 m/s、Ug=6.22 m/s、Ug=6.71 m/s、Ug=7.85 m/s時(shí)的單位管長的壓降變化，如圖4所示。從圖4中看出，預(yù)測結(jié)果與蒲文灝等的試驗(yàn)結(jié)果變化走向符合良好，說明本文采用數(shù)值模型對研究密相氣固兩相流具有相當(dāng)?shù)目尚判浴?/p>

圖4 不同表觀氣速下的壓降變化

2.1.5 渦特性對壓力損失的影響

圖5 z=0截面壓力云圖

圖6 不同截面氣相流線圖

圖7 不同截面顆粒相流線圖

顆粒質(zhì)量流量為Ms=0.167 kg/s，輸送壓力psend=3.3 MPa，表觀氣速Ug=5.88 m/s。圖5顯示部分管長的壓力云圖，可知壓力在管道主流方向逐漸降低。圖6、圖7分別示出了4個(gè)不同截面氣相、顆粒相流線圖，圖中氣相流線總體呈現(xiàn)對稱分布，并且管道上部區(qū)域伴有對稱漩渦，但局部存在流線的堆積；沿流動(dòng)方向渦的強(qiáng)度逐漸增大甚至出現(xiàn)二次渦。顆粒相在重力、氣體攜帶共同作用下由總體沿壁面下滑沉積，并有向中間塌陷的區(qū)域，再到塌陷的減弱，出現(xiàn)顆粒相局部區(qū)域的非對稱聚集，流動(dòng)狀況復(fù)雜。在謝鍇[3]、彭小敏[5]等的研究中，根據(jù)密相輸送沙丘流動(dòng)特征可知密相氣力輸送中存在周期性變化沙丘流動(dòng)。造成這種沙丘流的根本原因是氣固界面及沙丘內(nèi)部氣固兩相作用力的耦合及顆粒間頻繁的相互作用。由模擬可以預(yù)測，在沙丘流及非沙丘流內(nèi)部均存在氣固兩相流動(dòng)截面渦且具有周期性。因此，擬通過追蹤截面渦的發(fā)展預(yù)測水平密相氣力輸送管道內(nèi)的流動(dòng)、流型及壓降的變化規(guī)律具有一定的可行性，可對渦型沿主流方向的周期性變化進(jìn)行深入研究。由圖6、圖7中非沙丘流型內(nèi)部的截面渦特征分析可知這種渦反映了氣固間、顆粒間的相互作用及渦耗散過程產(chǎn)生的壓降。根據(jù)這種渦流動(dòng)在主流方向上變化的周期性可以進(jìn)而預(yù)測整個(gè)管長上的壓降。本文研究僅對該方法進(jìn)行定性的概述，深入研究尚需更多不同工況下的模擬數(shù)據(jù)。

顆粒質(zhì)量流量為Ms=0.167 kg/s，輸送壓力psend=3.3 MPa，X=2 200 mm截面處，表觀氣速分別為Ug=5.88 m/s、Ug=6.22 m/s、Ug=7.85 m/s時(shí)，預(yù)測的管道同一截面處的氣相的流線圖。從圖8中可以看出隨著表觀氣速的增加，形成的渦的數(shù)量和強(qiáng)度增加，圖8(b)和圖8(c)甚至出現(xiàn)了復(fù)雜的非對稱渦，這主要是較大速度下在有限空間中的紊流耗散增大。引起管道的喘振現(xiàn)象，表觀氣速的增加也使得能量損失增大。

圖8 不同表觀氣速下氣相的流線圖

3 結(jié) 論

本文將顆粒動(dòng)理學(xué)理論與修正的顆粒靜摩擦力模型相結(jié)合，同時(shí)考慮曳力與升力兩種相間作用力，充分考慮顆粒間的碰撞與摩擦力作用，對水平管內(nèi)加壓密相氣力輸運(yùn)的兩相流進(jìn)行數(shù)值研究。得到如下結(jié)論：

(1)模擬預(yù)測了壓降梯度變化的規(guī)律，前者隨后者的增加呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，與文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好。

(2)模擬得到了氣固兩相的速度分布；獲得顆粒相濃度分布，展現(xiàn)了沉積層形成與發(fā)展的漸變過程及顆粒相的紊流強(qiáng)度分布。

(3)模擬得到了同一速度管道不同截面下氣相、顆粒相的速度渦型圖，觀察到了氣相漩渦的演變過程，沿管道方向不斷增強(qiáng)的渦流加劇了壓力損失；顆粒相沿管道流動(dòng)方向或沉積或聚集的復(fù)雜流動(dòng)過程；對比不同表觀氣速同一截面處的速度流線圖，較高表觀氣速下形成的漩渦更復(fù)雜且更強(qiáng)烈，說明壓力損失更大。

綜上所述，采用本文的數(shù)學(xué)模型處理高壓密相氣力輸運(yùn)具有很好的適用性，為高壓密相氣力輸運(yùn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有價(jià)值的參考，今后工作將把捕捉周期性變化的沙丘及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理作為研究的方向。

[1] 王輔臣，于遵宏.煤炭氣化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 馬勝，郭曉鐳，龔欣，等.粉煤密相氣力輸送流型[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61(6)：1415-1422.

[3] 謝鍇，郭曉鐳，叢星亮，等.工業(yè)級水平管粉煤氣力輸送的最小壓降速度和穩(wěn)定性[J].化工學(xué)報(bào)，2013，64(6)：1969-1975.

[4] S.Lain，M.Sommerfeld.Numerical calculation of pneumatic conveying in horizontal channels and pipes：detailed analysis of conveying behaviour[J].International Journal of Multiphase Flow，2012，39：105-120.

[5] 彭小敏，朱立平，袁竹林.煤粉粒徑對密相氣力輸送流型影響的數(shù)值模擬[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012，18(4)：375-383.

[6] 鄭建祥，劉洪雷.彈性恢復(fù)系數(shù)對超細(xì)顆粒氣固流場影響的研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(6)：10-14.

[7] 鄭建祥，呂太.脫硫塔內(nèi)氣固流場數(shù)值模擬-稠密顆粒動(dòng)理學(xué)方法[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(2)：38-42.

[8] P.U.Wenhao，C.Zhao，Y.Xiong，et al.Numerical simulation of dense pneumatic conveying of pulverized coal in horizontal pipe at high pressure[J].Chemical Engineering Science，2008，65(8)：2500-2512.

[9] G.Johnson，K.R.Rajagopal，M.Massoudi.A review of interaction mechanisms in fluid-solid flows[R].Nasa Sti/recon Technical Report N，1990：27-33.

[10] 李志華，彭宗祥，周云杰，等.散狀物料在氣力輸送管道中的密相流動(dòng)數(shù)值模擬與分析[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2012 (5)：32-35.

[11] D.Gidaspow，R.Bezburuah，J.Ding.Hydrodynamics of circulating fluidized beds：Kinetic theory approach[R].Engieering，1991：4-5.

[12] S.Ergun.Fluid flow through packed columns[J].Chem.Eng.Prog.，1952，48(2)：89-94.

[13] C.Y.Wen，Y.H.Yu.Mechanics of fluidization[J].Chem.Eng.Prog.Symp.Series，1966，62：100-111.

[14] P.C.Johnson，R.Jackson.Frictional-collisional constitutive relations for granular materials，with application to plane shearing[J].Journal of Fluid Mechanics，1987，176(176)：67-93.

[15] T.Li，S.Benyahia.Revisiting johnson and jackson boundary conditions for granular flows ?[J].Aiche Journal，2011，58(7)：2058-2068.

[16] J.T.Jenkins，M.Y.Louge.On the flux of fluctuation energy in a collisional grain flow at a flat，frictional wall[J].Physics of Fluids，1997，9(10)：2835-2840.

[17] J.T.Jenkins.Boundary conditions for rapid granular flow：flat，frictional walls[J].Journal of Applied Mechanics，1992，59(1)：120-127.

[18] M.Y.Louge，E.Mastorakos，J.T.Jenkins.The role of particle collisions in pneumatic transport[J].Journal of Fluid Mechanics，1991，231(231)：345-359.

[19] A.Soleimani，S.Schneiderbauer，S.Pirker.CFD study of the gas-particle flow in a horizontal duct：The impact of the solids wall boundary conditions[J].Procedia Engineering，2015，102(1)：1026-1037.

NumericalSimulationonCharacteristicsofVortexinCrossSectionofDensePhasePneumaticConveyingofPulverizedCoalinHorizontalPipe

LiTie，LiuYong，YangZhirui，LiJingying

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Particle dynamics theory was combined with modified particle friction stress model，based on Euler-Euler model and standardturbulence model and less friction/all sliding boundary condition，taking into account the drag and lift simultaneously and taking full account of collision and friction between particles，to simulate gas-solid dense-phase pneumatic conveying under high pressure in a horizontal tube.The simulation results included profiles of gas and particle phase velocity，profiles of solids concentration，profiles of the turbulence intensity of particle phase，as well as the value of pressure gradient；the predictions of pressure gradient and granular concentration were in good agreement with the experimental data.The vortex figures of gas and particle in the cross section was also seized and the Eddy dissipation theory was applied to analyze the flow Field DistributionRule of dense-phase pneumatic conveying under high pressure and the motion characteristics of the gas-solids coupling flow.

Eddy dissipation；Friction stress；Pneumatic conveying；High pressure and dense phase

2017-01-06

李 鐵(1979-)，女，博士，副教授，主要研究方向：兩相流的數(shù)值模擬.

電子郵箱：litie0622@163.com(李鐵);920781725@qq.com(劉勇);445353083@qq.com(楊志瑞);248562213@qq.com(李婧瑩)

1005-2992(2017)06-0062-08

TK01+8

A