異直式氣體分布板氣流分布數(shù)值模擬及分析

王曉靜 臧明華 武宸宇 王 菁

（天津大學(xué)a. 化工學(xué)院； b. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

振動(dòng)流化床具有傳熱、傳質(zhì)速率較高、結(jié)構(gòu)緊湊及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。 因此被廣泛用于礦山、冶金、化工、輕工、醫(yī)藥、食品及建材工業(yè)等領(lǐng)域［1～4］。氣體分布板是保證振動(dòng)流化床具有良好和穩(wěn)定流態(tài)化的核心構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)和尺寸直接影響著流化的均一性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響振動(dòng)流化床的傳質(zhì)和傳熱，故需要合理選擇和設(shè)計(jì)氣體分布板［5～7］。

直孔式和斜孔式氣體分布板是目前應(yīng)用最廣泛的氣體分布板，其中直孔式氣體分布板具有流化性好、阻力適中及成本低等優(yōu)點(diǎn)，劉巍和湯文成指出在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，斜孔式氣體分布板的熱效率高于直孔式氣體分布板，基于直孔式和斜孔式氣體分布板的優(yōu)點(diǎn)，消除分布板較厚的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種干燥非球形顆粒物料的新型氣體分布板——異直式氣體分布板（HSP）［8］。

氣體分布板開孔率的大小影響孔道與流化床截面積之比和孔內(nèi)氣體流速，從而影響流體通過氣體分布板的孔道阻力，所以系統(tǒng)研究分布板不同開孔率條件下的流體流動(dòng)行為也尤為重要［9］。 文獻(xiàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料表明，開孔率8%的斜孔式氣體分布板在產(chǎn)品質(zhì)量、熱點(diǎn)溫度等方面表現(xiàn)較優(yōu)［10］。 因此，筆者給出開孔率為5.67%、8.57%、11.97%的3種異直式氣體分布板， 通過一定的簡(jiǎn)化后，建立振動(dòng)流化床的簡(jiǎn)化模型，利用CFD軟件Fluent數(shù)值模擬功能對(duì)振動(dòng)流化床流場(chǎng)進(jìn)行研究，并結(jié)合CFD-DEM技術(shù)研究顆粒運(yùn)動(dòng)行為，以期為異直式氣體分布板工業(yè)化應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 氣體分布板結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

單一氣相體系采用穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行求解，空氣的運(yùn)動(dòng)速度較低，可視為不可壓縮流體。 湍流模型采用Realizable k-ε模型， 壓力速度耦合采用SIMPLE算法， 動(dòng)量離散方程采用一階迎風(fēng)格式，近壁面函數(shù)采用Standard Wall Functions，則：

其中，u、v、w分別表示速度在x、y、z3個(gè)方向上的分量；p表示作用在微元體上的壓強(qiáng)；Fx、Fy、Fz分別表示微元體在x、y、z方向上受到的體力；τxx、τxy、τxz等表示作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量；σk=1.0；σε=1.2；C1=max｛0.43，［η/（η+5）］｝；C2=1.9；Gk表示平均速度梯度引起湍動(dòng)能的產(chǎn)生；μt表示湍動(dòng)粘度，其計(jì)算式為μt=ρCu（k2/ε）［11］。

1.2 物理模型

圖1給出了異型孔結(jié)構(gòu)。 從圖1中可以看到，異型孔在豎直方向有一個(gè)30°的缺口，可增大異型孔出口處氣體豎直方向速度。 在相同氣速下，比不開缺口的異型孔更易使非球形大顆粒產(chǎn)生流態(tài)化。 筆者考慮在干燥過程中顆粒易與異型孔發(fā)生碰撞， 故在異型孔開孔方向反側(cè)設(shè)置一個(gè)直孔，如圖2所示。HSP由異型孔和直孔組成，異型孔和直孔在板體上相間排布。 直孔呈正三角形排布，異型孔排布跟隨直孔排布。 為驗(yàn)證直孔作用，筆者建立開孔率Ф=4.30%的異型式氣體分布板（HP），分布板結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 HSP結(jié)構(gòu)圖

表1 不同開孔率氣體分布板結(jié)構(gòu)參數(shù)

參照表1中氣體分布板結(jié)構(gòu)參數(shù)， 在對(duì)振動(dòng)流化床結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上， 利用SolidWorks三維建模軟件完成模型建立工作，如圖3所示。 隨后將實(shí)體模型的1/2導(dǎo)入Workbench17.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并采用曲率法對(duì)氣體分布板表面進(jìn)行局部加密處理， 劃分后的mesh文件網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3 振動(dòng)流化床三維模型

1.3 邊界條件

單向流數(shù)值模擬氣體是常溫常壓下的空氣，入口速度為0.5～1.7m/s，以間隔0.3m/s取值，氣體入口為速度入口，湍流強(qiáng)度I=0.16×Re（-1/8），雷諾數(shù)Re=dvρ/μ，氣體出口和物料出口為完全發(fā)展流動(dòng)形式。

2 速度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 布風(fēng)孔局部速度場(chǎng)特性分析

氣體分布板上氣體分布是影響振動(dòng)流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的重要因素，布風(fēng)孔出口處速度矢量圖能夠準(zhǔn)確表示氣流通過不同結(jié)構(gòu)的布風(fēng)孔時(shí)的流動(dòng)狀況或流動(dòng)方向等，通過孔附近渦流狀況，分析布風(fēng)孔附近流體流動(dòng)行為［12］。 圖4給出了 在 進(jìn) 氣 速 度v=1.1m/s 時(shí)，Ф=4.30%HP 和Ф=5.67%HSP布風(fēng)孔局部速度矢量圖。 由圖可知，異型孔出口處氣體可兼顧水平與豎直方向氣速，使得作用在非球形顆粒的氣流曳力方向與水平面呈一定夾角。 既可以增強(qiáng)非球形顆粒流動(dòng)性，又可以給氣體分布板創(chuàng)造一個(gè)良好的流化條件。

圖4 不同氣體分布板布風(fēng)孔局部速度矢量圖

觀察圖4a， 振動(dòng)流化床內(nèi)x-z平面在y=10mm以上區(qū)域所有氣流方向均朝向同一方向形成平推流，平推流的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致氣體水平方向速度過大，顆粒停留時(shí)間過短，增加顆粒與氣體分布板碰撞機(jī)率和碰撞力。 如圖4b所示，在每個(gè)異型孔前部設(shè)置一個(gè)直孔，不僅擾亂異型孔所形成的平推流，加強(qiáng)了氣相的擾動(dòng)，而且防止顆粒與異型孔發(fā)生碰撞。 同時(shí)，異型孔和直孔的復(fù)合形式使得直孔與異型孔之間產(chǎn)生一個(gè)微渦流，氣流方向均朝上，利于大顆粒物料產(chǎn)生流態(tài)化。 微渦流的存在加強(qiáng)了氣體布風(fēng)板近表面空氣擾動(dòng)程度，延長(zhǎng)了顆粒在床內(nèi)的停留時(shí)間，有利于氣固兩相混合，從而強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)效果。

通過表1可知， 開孔率4.30%HP和開孔率11.97%HSP區(qū)別在于有無直孔。 因兩種氣體分布板開孔率不同， 通過單相流場(chǎng)模擬可知， 當(dāng)v=2.9m/s時(shí)開孔率11.97%HSP和當(dāng)v=0.5m/s時(shí)開孔率4.30%HP在y=10mm處的空氣平均合速度相對(duì)偏差為0.12%，可認(rèn)為相等，不同開孔率氣體分布板數(shù)據(jù)參數(shù)詳見表2。 表2給出了在y=10mm處空氣平均水平速度， 開孔率4.30%HP 為開孔率11.97%HSP的1.194倍，進(jìn)一步說明了直孔對(duì)異型孔形成的平推流擾亂作用明顯，能夠防止顆粒停留時(shí)間過短。

表2 不同開孔率氣體分布板數(shù)據(jù)參數(shù)

在此基礎(chǔ)上，利用CFD-DEM技術(shù)進(jìn)行流固耦合研究， 對(duì)比分析開孔率11.97%HSP和開孔率4.30%HP顆粒運(yùn)動(dòng)行為。 圖5給出了開孔率4.30%HP和開孔率11.97%HSP在布風(fēng)孔處顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。可以看出，開孔率4.30%HP內(nèi)非球形顆粒先后與氣體分布板板體和異型孔發(fā)生碰撞，結(jié)合圖4a可知，異型孔雖開有缺口，產(chǎn)生一定的豎直方向氣速，但其值遠(yuǎn)小于水平方向氣速，不足以使顆粒處于流態(tài)化。 若進(jìn)一步加大氣速，在增加能耗的同時(shí)，水平方向氣速增加將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎直方向氣速，無法保證顆粒停留時(shí)間。 通過圖5b可以看出，直孔的加入大幅改善了顆粒運(yùn)動(dòng)行為。 顆粒由于重力的作用做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到直孔位置，速度減小，降低了顆粒與氣體分布板之間的碰撞力，同時(shí)可以看出，在直孔和朝上的微渦流的作用下，顆粒與異型孔并未發(fā)生碰撞。 結(jié)合表2數(shù)據(jù)計(jì)算可知，單位時(shí)間內(nèi)開孔率4.30%HP內(nèi)單顆粒碰撞次數(shù)為4.793次， 是開孔率11.97%HSP的1.357倍， 直孔和異型孔的組合形式大幅降低了床內(nèi)顆粒碰撞機(jī)率。通過布風(fēng)孔局部速度矢量圖和顆粒運(yùn)動(dòng)行為分析可知，異直式氣體分布板比異型式氣體分布板更易使大顆粒產(chǎn)生流態(tài)化，同時(shí)大幅降低了顆粒與分布板的碰撞機(jī)率和碰撞力。

圖5 不同氣體分布板布風(fēng)孔處顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 氣體分布板速度場(chǎng)特性分析

圖6表示在進(jìn)氣速度v=1.1m/s時(shí)，振動(dòng)流化床內(nèi)x-z平面y=10mm截面4種氣體分布板空氣速度矢量圖。 從圖6中可以看到Ф=4.30%HP近表面氣速高達(dá)22.29m/s， 沿x方向氣速先增加后減小，氣速變化明顯，且高速區(qū)主要存在于中部區(qū)域。 與HP相比，HSP空氣速度沿x方向先增加后降低然后逐漸穩(wěn)定，其近表面氣速更低，氣體分布更加均勻。 在相同進(jìn)氣速度下， 隨著開孔率的增加，HSP穩(wěn)定區(qū)域增加，近表面空氣速度減小。

圖6 y=10mm截面處的空氣速度矢量圖

圖7表示在進(jìn)氣速度1.1m/s下，4種氣體分布板在y=10mm、y=20mm、y=30mm、y=40mm高度處的沿x方向空氣速度分布規(guī)律。觀察圖7發(fā)現(xiàn)HP結(jié)構(gòu)空氣速度隨著高度的增加而減小，氣體脈動(dòng)現(xiàn)象幾乎不存在，因而擾動(dòng)較弱，不利于顆粒與熱氣流充分接觸。 而異型孔和直孔的復(fù)合形式使得在y=10mm處空氣速度呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)，振幅大，擾動(dòng)明顯，有利于氣固兩相充分接觸。 且空氣速度的波動(dòng)趨勢(shì)隨著高度的增加逐漸趨于緩和，效果佳。

圖7 不同氣體分布板在不同高度下沿軸向位置空氣速度分布

對(duì)比不同開孔率下HSP沿x方向速度分布，發(fā)現(xiàn)隨著開孔率的增加，在y=10mm處空氣速度的波動(dòng)幅值減小，y=30mm和y=40mm處空氣速度分布差值逐漸減小并趨于一致。 這是由于在相同進(jìn)氣速度下，開孔率越大，通過布風(fēng)孔氣速越低。 隨著高度增加，氣體分布板對(duì)空氣速度影響越小。 因此，在相同工藝參數(shù)下，若達(dá)到相同的流化效果，開孔率較大的氣體分布板的進(jìn)氣速度需要比開孔率較小的氣體分布板更大， 導(dǎo)致能耗增加，但物料穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3 壓力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 氣體分布板靜壓特性分析

判別氣體分布板布風(fēng)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)為：密相區(qū)近氣體分布板處豎直方向靜壓分布波動(dòng)幅度大、波動(dòng)規(guī)律性強(qiáng)，隨著高度增加，密相區(qū)上層靜壓波動(dòng)平緩，氣流分布逐漸平緩，稀相區(qū)壓力波動(dòng)可忽略［12］。 密相區(qū)研究區(qū)域0～20mm，20mm 以上為稀相區(qū)， 稀相區(qū)研究區(qū)域?yàn)?0～40mm。 圖8給出了在進(jìn)氣速度v=1.1m/s下，不同氣體分布板在y為5、10、15、20、30、40mm處的靜壓分布情況。

觀察圖8， 發(fā)現(xiàn)HP和HSP結(jié)構(gòu)兩者之間在稀相區(qū)豎直方向幾乎沒有靜壓波動(dòng)， 平緩增長(zhǎng)，說明兩種結(jié)構(gòu)稀相區(qū)穩(wěn)定性高。 同時(shí)，由于開孔朝向問題導(dǎo)致開孔方向一側(cè)靜壓高于反側(cè)靜壓，模擬結(jié)果表明在振動(dòng)流化床干燥區(qū)域內(nèi)氣體形成較大的內(nèi)循環(huán)， 可增大熱氣流與顆粒的接觸時(shí)間，傳熱效率高。 對(duì)比HP結(jié)構(gòu)和HSP結(jié)構(gòu)，可以看出HP結(jié)構(gòu)在近氣體分布板區(qū)域靜壓波動(dòng)幅度小，而HSP結(jié)構(gòu)距氣體分布板20mm以下區(qū)域靜壓波動(dòng)幅度大，5mm處壓力波動(dòng)較為明顯， 以一定的壓力波動(dòng)規(guī)律沿軸向位置增加，并隨著高度的增加，其波動(dòng)也趨于平緩。 因近氣體分布板處需要良好的靜壓波動(dòng)才能形成良好的氣固兩相混合狀態(tài)， 故HSP結(jié)構(gòu)在密相區(qū)的性能優(yōu)于HP結(jié)構(gòu)。根據(jù)氣體分布板布風(fēng)性能優(yōu)劣重要參數(shù)判斷，可以得出HSP結(jié)構(gòu)是一種較佳的氣體分布板， 擁有優(yōu)秀的流化質(zhì)量。

圖8 不同氣體分布板在不同高度下沿軸向位置靜壓分布

3.2 氣體分布板壓降特性分析

開孔率是影響氣體分布板壓降，決定流體分布是否均勻的重要因素，壓降的存在是物料被流化的基本保障［13］。 一般來說，通過增減開孔數(shù)目或開孔面積來改變氣體分布板開孔率［12，14］。 筆者通過改變開孔面積而不改變開孔數(shù)目，給出開孔率Ф為5.67%、8.57%、11.97%的3種異直式氣體分布板。 不同開孔率HSP在不同進(jìn)氣速度下壓降變化如圖9所示。

圖9 不同進(jìn)氣速度下HSP壓降分布圖

從圖9中可以看到，進(jìn)氣速度較低時(shí)，壓降相對(duì)較小，隨著進(jìn)氣速度的不斷提高，壓降明顯增加；進(jìn)氣速度越大，增加速率也越大。 這是由于在相同開孔率下，進(jìn)氣量增大，流體通過布風(fēng)孔的氣流阻力增大，壓降隨之迅速增大。 同樣可以看到，在相同的進(jìn)氣速度下，氣體分布板的開孔率越高，壓降就越小，壓降增長(zhǎng)速率也越小。 因此達(dá)到相同的壓降，開孔率較大的氣體分布板需要比開孔率較小的氣體分布板具有更大的進(jìn)氣速度。

4 結(jié)論

4.1 異型孔導(dǎo)向作用明顯，直孔的設(shè)置可擾亂異型孔形成的平推流，加強(qiáng)了氣體分布板近表面氣相擾動(dòng)，有利于氣固兩相混合；直孔與異型孔相互作用所產(chǎn)生的微渦流，氣流方向均朝上，易使粗顆粒物料產(chǎn)生流態(tài)化，從而強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)效果。

4.2 直孔的設(shè)計(jì)改善了顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，在直孔和微渦流的共同作用下，大幅降低了床內(nèi)顆粒碰撞機(jī)率與碰撞力，延長(zhǎng)了顆粒停留時(shí)間。

4.3 在相同進(jìn)氣速度下，對(duì)比不同開孔率下異直式氣體分布板流場(chǎng)， 發(fā)現(xiàn)隨著開孔率的增加，異直式氣體分布板穩(wěn)定區(qū)域增加，壓降減小，近氣體分布板表面空氣速度減小且波動(dòng)幅值也減小，因此，在相同工藝參數(shù)下，開孔率較大的氣體分布板需要比開孔率較小的氣體分布板具有更大的進(jìn)氣速度才能達(dá)到同樣的流化效果，導(dǎo)致能耗增大，但物料穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4.4 在y=10mm截面處， 異型式氣體分布板氣速比異直式氣體分布板沿x方向變化明顯， 氣體脈動(dòng)現(xiàn)象較弱，異直式氣體分布板近氣體分布板區(qū)域靜壓波動(dòng)明顯，可形成良好的氣固兩相混合狀態(tài)；且隨著高度的增加，其波動(dòng)也趨于平緩，根據(jù)氣體分布板布風(fēng)性能優(yōu)劣重要參數(shù)判斷，可以得出異直式氣體分布板是一種較佳的氣體分布板，擁有優(yōu)秀的流化質(zhì)量。