循環(huán)流化床鍋爐爐膛流動(dòng)特性數(shù)值模擬進(jìn)展

楊 照，劉雪敏，張肖陽(yáng)，齊國(guó)利，董 勇

(1.山東大學(xué) 燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061; 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

爐膛內(nèi)的流動(dòng)特性是循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)燃燒反應(yīng)和傳熱的基礎(chǔ)，具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義，并得到了充分的研究[1-4]。整體和局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不均勻性是爐膛氣固兩相流動(dòng)最顯著的特征，根據(jù)已有的研究，爐膛整體由底部高固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的密相區(qū)和上部低固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的稀相區(qū)組成，孔隙率分布呈現(xiàn)為軸向的S型結(jié)構(gòu)和徑向的環(huán)-核結(jié)構(gòu)，而爐膛局部顆粒則處于不斷地聚集和分裂狀態(tài)，具有團(tuán)聚趨勢(shì)。

然而實(shí)驗(yàn)方法存在研究成本高、獲得數(shù)據(jù)有限等不足，盡管測(cè)量工具和研究方法隨著科技進(jìn)步得到了一定的發(fā)展，但截至目前，爐膛內(nèi)的許多關(guān)鍵參量或是難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或是存在一定的局限性。例如爐膛中的壓力尚可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，固體體積分?jǐn)?shù)也可以通過(guò)所測(cè)的壓降推導(dǎo)，但所得數(shù)據(jù)僅能反映某一高度或某一時(shí)刻的特定物料體積分?jǐn)?shù)。因此，數(shù)值模擬方法受到了越來(lái)越多研究者的青睞。

筆者分析了近10 a爐膛流動(dòng)特性模擬研究的進(jìn)展，重點(diǎn)分析了爐膛流動(dòng)特性模擬的關(guān)鍵因素——曳力模型，對(duì)模擬中多相流模型和曳力模型的耦合進(jìn)行闡述，分析當(dāng)前研究存在的不足，探討未來(lái)CFBB氣固兩相流動(dòng)模擬的發(fā)展方向。

1 爐膛流動(dòng)特性模擬研究進(jìn)展

爐膛內(nèi)固相的流態(tài)化現(xiàn)象是CFBB最典型的特征，模擬須從氣固多相流模型入手。

根據(jù)對(duì)固相的描述，目前已有的多相流模型分為基于歐拉-歐拉(E-E)方法的雙流體模型(Two Fluid Model,TFM)和基于歐拉-拉格朗日(E-L)方法的離散元(Discrete Element Model,DEM)模型以及計(jì)算顆粒流體力學(xué)(Computational Particle Fluid Dynamics,CPFD)模型。E-E方法基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)(亦被稱為連續(xù)介質(zhì)模型)，將流體與離散的固相作為共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì);E-L方法則只將氣體相當(dāng)作連續(xù)相，分別在歐拉坐標(biāo)系和拉格朗日坐標(biāo)系下描述氣相和固相。E-L方法中，DEM模型充分計(jì)算固相間的力和碰撞，詳細(xì)描述顆粒運(yùn)動(dòng)，能夠揭示顆粒相的宏觀流動(dòng)特性和確定固相在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間;CPFD模型基于MP-PIC(Multi-Phase Particle In Cell)[5]方法，引入顆粒碰撞模型和空間梯度來(lái)計(jì)算固相間的相互作用力和碰撞，并將一部分位置、速度相近且粒徑、密度等物理量相同的顆粒作為整體進(jìn)行計(jì)算[6-7]。

相較于實(shí)驗(yàn)，模擬可以捕獲更詳細(xì)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，并提供可視化的結(jié)果，有助于理解整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的氣固流動(dòng)行為。目前已有許多研究者通過(guò)模擬得到了爐膛的典型流動(dòng)特性，證明了模擬的可信程度。

LIU等[8]和ZHANG等[9]在采用TFM模型的CFBB全回路模擬中，捕獲了爐膛內(nèi)固相下濃上稀的分布特點(diǎn)，得到了爐膛內(nèi) “下濃上稀”和徑向“環(huán)-核”的分布特征(圖1);NIKOLOPOULO等[10]在研究中進(jìn)一步將爐膛分為底部密相區(qū)域、中部飛濺區(qū)域和頂部自由發(fā)展區(qū)域3個(gè)區(qū)域(圖2)。而WANG等[11]在采用DEM模型對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的CFBB全回路的模擬中除了捕獲了爐膛固相軸向S型分布(圖3)外，還發(fā)現(xiàn)湍流現(xiàn)象貫穿整個(gè)爐膛，團(tuán)聚主要在爐膛底部壁面附近形成(圖4)。

圖1 CFB鍋爐內(nèi)固體體積分?jǐn)?shù)Fig.1 Solid volume fraction distribution in CFBB

圖2 爐膛內(nèi)固體體積分?jǐn)?shù)[10]Fig.2 Solid volume fraction in furnace[10]

圖3 CFB中固體瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)[11]Fig.3 Transient motion of solid phase in CFB[11]

圖4 爐膛內(nèi)固體運(yùn)動(dòng)及分布Fig.4 Movement and distribution of solids in furnace

除了能直觀地反映爐膛內(nèi)的宏觀流態(tài)特征外，通過(guò)模擬還能捕獲顆粒詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，用以研究系統(tǒng)內(nèi)固相的微觀流動(dòng)特性。

LUO等[12]和WANG等[13]在采用DEM模型的CFBB模擬中觀察到了強(qiáng)烈的固相返混現(xiàn)象，且主要發(fā)生在爐膛壁面和角落處;FANG等[14]進(jìn)一步將爐膛內(nèi)固相的混合過(guò)程分為啟動(dòng)階段、遷移階段、強(qiáng)烈混合階段和穩(wěn)定階段4個(gè)階段，并發(fā)現(xiàn)對(duì)流混合、剪切混合和擴(kuò)散混合分別主要發(fā)生在爐膛的下部、中部和頂部，固相軸向擴(kuò)散在整個(gè)區(qū)域中占主導(dǎo)地位。LUO等[12]還根據(jù)爐內(nèi)固相平均速度捕獲了爐膛中心區(qū)域的固相向上運(yùn)動(dòng)和壁附近的固相向下流動(dòng)，并將爐膛底部粒子無(wú)序運(yùn)動(dòng)的原因歸為固相反混、回料閥回流、流化風(fēng)和粒子間相互作用。WANG等[15]還發(fā)現(xiàn)固相速度在爐膛中心區(qū)域和4個(gè)角處較大，而在環(huán)帶區(qū)域中較小(圖5)。

圖5 爐膛局部區(qū)域固體速度[15]Fig.5 Solid velocity in the local area of furnace[15]

模擬方法還能提供爐膛內(nèi)更為詳細(xì)的物理參數(shù)，通過(guò)研究參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，有助于加深對(duì)爐內(nèi)氣固流動(dòng)行為的理解和認(rèn)識(shí)。

曾勝庭等[16]在300 MW CFBB的 CPFD 模擬中，根據(jù)爐膛內(nèi)的固相體積分?jǐn)?shù)和顆粒速度分布證實(shí)了密相區(qū)后墻壁面附近存在的床料富集現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)固相體積分?jǐn)?shù)分布隨著爐膛高度的增加而逐漸降低，稀相區(qū)內(nèi)的床料分布更為均勻，部分床料顆粒在氣流曳力的作用下被攜帶上升，另一部分貼近壁面的顆粒則呈現(xiàn)下降的流動(dòng)狀態(tài)。李德波等[17]在300 MW循環(huán)流化床鍋爐的CPFD模擬中，根據(jù)爐膛速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，爐膛密相區(qū)中部氣流速度在一次風(fēng)和部分沿壁面返回風(fēng)量的作用下大幅增加，同時(shí)壁面處出現(xiàn)數(shù)個(gè)中心區(qū)域速度極低的旋流，爐膛底部前壁處的顆粒體積分?jǐn)?shù)較其他處更高。張瑞卿等[18]在采用CPFD模型的工業(yè)示范循環(huán)流化床鍋爐爐膛模擬中研究了爐內(nèi)的物料體積分?jǐn)?shù)，研究表明，固相物料體積分?jǐn)?shù)在爐膛邊壁處存在明顯的上升趨勢(shì)，在爐膛下部中心區(qū)出現(xiàn)明顯的體積分?jǐn)?shù)峰值，而體積分?jǐn)?shù)峰值并沒(méi)有在爐膛頂端中心區(qū)出現(xiàn)。JIANG等[19]在對(duì)具有六旋風(fēng)分離器布置的大型CFBB的CPFD模擬中研究了爐膛內(nèi)的氣相速度場(chǎng)，觀察到爐膛出口處的氣流速度矢量方向從垂直轉(zhuǎn)變?yōu)樗剑瑺t膛底部氣流具有向上和向下流動(dòng)的不均勻性，中心處固相的垂直速度高于壁面處的顆粒。另外，實(shí)驗(yàn)研究中用于定義爐內(nèi)流態(tài)的物理參數(shù)通常局限于空隙率、氣固滑移速度和方向，而通過(guò)數(shù)值模擬研究，有可能利用更詳細(xì)的物性參數(shù)完善對(duì)爐內(nèi)流態(tài)的定義。TU等[20]采用CPFD多相流模型模擬了帶有6個(gè)旋風(fēng)分離器的CFBB，并根據(jù)壓力時(shí)間序列等參數(shù)確定了爐膛中隨著表觀氣速增加而出現(xiàn)的3種流態(tài)，即多氣泡流態(tài)(Multiple Bubble)、鼓泡流態(tài)(Bubble Regime)和湍流流態(tài)(Turbulent Fluidization Regime)。

總而言之，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究爐膛內(nèi)的流動(dòng)特性，研究者們已獲取更詳細(xì)的流動(dòng)細(xì)節(jié)和可視化結(jié)果，加深了對(duì)爐膛內(nèi)氣固兩相宏觀和微觀流態(tài)特征的認(rèn)識(shí)，有助于完善爐內(nèi)氣固兩相流態(tài)的定義，并會(huì)在今后的模擬研究中不斷深化對(duì)流動(dòng)特性的認(rèn)知。

2 爐膛流動(dòng)特性數(shù)值模擬的關(guān)鍵模型

顆粒間的碰撞只是氣固兩相流模型需要處理的問(wèn)題之一。研究證明，相對(duì)于對(duì)固相的準(zhǔn)確描述，氣固兩相流模擬的關(guān)鍵在于系統(tǒng)中氣體-粒子和粒子-粒子相互作用的正確表達(dá)[21-23]。曳力作為多相流動(dòng)中最重要的相間相互作用，決定了爐膛內(nèi)的氣流對(duì)顆粒的夾帶和輸送以及內(nèi)循環(huán)流動(dòng)等行為[24-26]。因此，無(wú)論是E-E法或E-L法，曳力模型都是決定數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

作為多相流動(dòng)中最主要的相間相互作用，針對(duì)曳力已建立了大量的模型。目前曳力模型主要可以分為傳統(tǒng)均勻曳力模型、關(guān)聯(lián)型曳力模型和極值型曳力模型3類[27-29]，表1對(duì)現(xiàn)有的曳力模型進(jìn)行了歸納。

表1 曳力模型的分類Table 1 Classification of drag model

復(fù)雜系統(tǒng)中的介尺度關(guān)聯(lián)著微尺度和宏尺度，在CFBB系統(tǒng)中，微尺度、宏尺度和介尺度分別指顆粒尺度、設(shè)備尺度和顆粒團(tuán)尺度。

研究表明，爐膛內(nèi)的固相趨向保持最小重力勢(shì)能，處于不斷地聚集、形成團(tuán)聚并分裂的狀態(tài);氣相則趨向于選擇阻力最小的路徑，傾向于繞過(guò)而非穿透顆粒團(tuán)[63-64]。2種運(yùn)動(dòng)機(jī)制之間的相互協(xié)調(diào)得到稀、密相共存的穩(wěn)定性條件，并實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)優(yōu)勢(shì)的折中[65]，造成了爐膛內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性和多樣性。同時(shí)，由于爐膛內(nèi)的主要流動(dòng)曳力來(lái)自密相團(tuán)聚體內(nèi)部及其界面，因此爐膛內(nèi)的有效氣固動(dòng)量交換低于均勻懸浮液[57]。

綜上所述，介尺度結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致?tīng)t膛氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)非均勻性分布的根本原因，研發(fā)曳力模型的重點(diǎn)在于考慮介尺度結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中固相的異質(zhì)空間分布對(duì)曳力的影響[66-67]。

2.1 均勻曳力模型及關(guān)聯(lián)型曳力模型

均勻曳力模型的構(gòu)建基于單顆粒曳力模型和均質(zhì)系統(tǒng)(固定床或均勻液固流化床)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用平均化方法對(duì)曳力系數(shù)進(jìn)行修正，并應(yīng)用于CFBB多顆粒體系模擬。但平均化方法簡(jiǎn)化和忽略了爐膛多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)高估氣固相之間的曳力[68-69]，更適用于顆粒體積分?jǐn)?shù)較低、氣固流動(dòng)較為均勻的體系。

基于建立新曳力模型的困難和均勻曳力模型捕獲氣固兩相基本特征的能力[70]，研究者們?cè)噲D通過(guò)修正均勻曳力模型以獲得能夠用以描述介尺度的次網(wǎng)格模型，即關(guān)聯(lián)型曳力模型[27]。根據(jù)對(duì)均勻曳力模型的修改依據(jù)可以將關(guān)聯(lián)型曳力模型分為修改顆粒直徑法、細(xì)網(wǎng)格歸納法和修正曳力系數(shù)法3類。

修改顆粒直徑法將顆粒團(tuán)當(dāng)成一個(gè)整體，增大直徑的顆粒被當(dāng)作顆粒團(tuán)以考慮顆粒趨于成團(tuán)的流動(dòng)特性。采用修改顆粒直徑法的前提是準(zhǔn)確描述顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，但爐膛內(nèi)的顆粒團(tuán)受到氣相和固相的性質(zhì)、爐膛的幾何形狀和運(yùn)行條件等因素的影響，導(dǎo)致該方法不具有普適性，實(shí)用性和準(zhǔn)確性也有待深入研究。

細(xì)網(wǎng)格歸納法從概念上將一個(gè)復(fù)雜的多尺度閉合模擬任務(wù)分解為解決描述微尺度和介尺度的任務(wù)，采用傳統(tǒng)曳力模型對(duì)爐膛內(nèi)的微小區(qū)域進(jìn)行高精度模擬，通過(guò)求解區(qū)域內(nèi)參數(shù)的時(shí)間平均得到適用于粗網(wǎng)格模擬的曳力模型，但其本質(zhì)依然是均勻曳力模型。

修正曳力系數(shù)法通過(guò)修正均勻曳力模型中的曳力系數(shù)，減小均勻曳力模型對(duì)于曳力的估計(jì)，根據(jù)修正方法的不同可以分為直接修正方法和經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)法2類。直接修正方法即通過(guò)給曳力模型添加一個(gè)小于1的系數(shù)減小曳力，缺點(diǎn)在于曳力系數(shù)的修正需要大量試算，且修正值取決于研究者的主觀意愿，缺乏完善可靠的理論依據(jù);經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)法以O(shè)’BRIEN和SYAMLAL[54]提出的O-S模型為代表。O’BRIEN和SYAMLAL基于FCC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的修正公式，并以此修改均勻模型曳力參數(shù)，保障了模型的準(zhǔn)確性。但由于需要根據(jù)模擬對(duì)象進(jìn)行廣泛的研究而缺乏普遍性，O-S模型通常作為檢驗(yàn)曳力模型的基準(zhǔn)。

均勻曳力模型和O-S曳力模型的曳力函數(shù)分布如圖6所示(其中，β為單位體積的曳力系數(shù)。定義為β=εgnsFD/ur，其中εg為氣體體積分?jǐn)?shù)，ns為顆粒數(shù)密度,FD為顆粒所受曳力，ur為氣固相對(duì)速度[61])。圖6(a)匯總了部分均勻曳力模型，由圖6(a)可知，不同均勻曳力模型的曳力曲線幾乎完全重合，曳力隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而單調(diào)增大，沒(méi)有體現(xiàn)出非均勻流動(dòng)中因介尺度的存在而導(dǎo)致的曳力降低。由圖6(b)可以看出， O-S曳力模型預(yù)測(cè)在顆粒體積分?jǐn)?shù)εs=0.01～0.50內(nèi)非均勻流的曳力會(huì)發(fā)生顯著的降低，且在εs≈0.10時(shí)曳力下降幅度最大，爐膛稀、密相兩側(cè)的流動(dòng)趨于均勻，符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[71]。

圖6 均勻曳力模型與O-S曳力模型對(duì)比[28,71]Fig.6 Comparison of homogeneous model and O-S drag model under different Gs[28,71]Fig.6 Comparison of homogeneous model and O-S drag model Gs[28,71]

2.2 極值型曳力模型

極值型曳力模型以EMMS模型為代表的非均勻曳力模型。EMMS曳力模型基于“多尺度最小能量理論”(Theory of Energy Minimum Multi-scale,EMMS)，核心在于對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)和多結(jié)構(gòu)折衷特性的描述[72]，爐膛非均勻區(qū)域被分為“顆粒密相”、“顆粒稀相”和“相互作用相”3個(gè)均勻的子系統(tǒng)，通過(guò)穩(wěn)定性條件(單位質(zhì)量顆粒的懸浮輸送能耗Nst趨于最小)描述介尺度上兩種主要趨勢(shì)的折衷[73]。

原始EMMS模型由李靜海等提出[57]，最初被應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)氣固流動(dòng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)的量化[60]，僅考慮了重力對(duì)曳力的影響。

而后，楊寧等[58-59]考慮了顆粒的平均加速度和曳力、重力的不平衡，建立了Y-EMMS模型。Y-EMMS將顆粒局部加速度納入考慮，能求解特定工況下的曳力系數(shù)，但模型中包含經(jīng)驗(yàn)公式，且忽略了氣固兩相流速對(duì)曳力的影響。

隨后，王維[60]進(jìn)一步引入稠密相、稀相和相間的慣性加速用以區(qū)別稀、密相內(nèi)部顆粒加速度，建立了EMMS/matrix模型。EMMS/matrix模型采用2步EMMS分析法，首先對(duì)循環(huán)流化床的操作參數(shù)進(jìn)行最小能量分析得到顆粒團(tuán)參數(shù)關(guān)于氣體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系式，然后將關(guān)系式與CFD耦合得到非均勻曳力修正系數(shù)，綜合考慮了操作參數(shù)和局部流動(dòng)參數(shù)對(duì)曳力的影響。但該模型密相顆粒的受力表達(dá)式并未采用實(shí)際的受力分析。

后續(xù)，祁海鷹等[28]基于顆粒團(tuán)密度εsc修正了顆粒團(tuán)直徑，通過(guò)完善局部顆粒的受力平衡提出了不含經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的QL-EMMS模型和QL-EMMSn模型[61]。在祁海鷹等的基礎(chǔ)上，陳程等[62]進(jìn)一步引入非均勻因子和基于整體氣固滑移速度的狀態(tài)雷諾數(shù)提出了QC-EMMS模型，實(shí)現(xiàn)了曳力模型的流動(dòng)自適應(yīng)，但該階段模型尚未考慮顆粒尺寸分布。

EMMS曳力模型的對(duì)比如圖7所示。EMMS曳力模型在一定局部體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)都預(yù)測(cè)到了不同程度的曳力下降，Y-EMMS模型預(yù)測(cè)的曳力系數(shù)在空隙率0.7～1.0內(nèi)會(huì)大幅降低， EMMS/matrix模型預(yù)測(cè)曳力系數(shù)在除了爐膛兩端外的大部分空隙率范圍內(nèi)都會(huì)降低，QL-EMMS曳力模型預(yù)測(cè)曳力在εs=0.01～0.35內(nèi)顯著下降。

圖7 不同曳力模型對(duì)比[77]Fig.7 Comparison of different drag model[77]

但EMMS模型曳力函數(shù)隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與基于實(shí)驗(yàn)的相對(duì)準(zhǔn)確可靠的O-S模型相比，或包含沒(méi)有物理意義的轉(zhuǎn)折，或存在不同的變化趨勢(shì)，原因主要在于對(duì)顆粒團(tuán)直徑預(yù)測(cè)的缺陷[74-77]。

合理描述顆粒團(tuán)特性的QC-EMMS模型能夠體現(xiàn)非均勻流曳力隨顆粒體積分?jǐn)?shù)呈“凹狀”上升，且在稀、濃兩端趨于均勻態(tài)的非均勻流曳力下降的本質(zhì)特征(圖8)。

圖8 QC/QL-EMMS模型與O-S模型的對(duì)比[62]Fig.8 Comparison of QC/QL-EMMS model and O-S model[62]

決定CFBB爐膛內(nèi)兩相流模擬成敗的關(guān)鍵和未來(lái)研究的重點(diǎn)仍是曳力模型[78]。采用均勻曳力模型、關(guān)聯(lián)型曳力模型將導(dǎo)致低估爐膛(提升管)底部稠密區(qū)域中固體的體積分?jǐn)?shù)和高估顆粒循環(huán)流率，無(wú)法捕獲顆粒動(dòng)態(tài)集群的形成和消失等特性[58]，且即使在采用高網(wǎng)格密度的前提下仍然不能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的改變[79]。而EMMS曳力模型捕獲爐膛(提升管)內(nèi)非均勻結(jié)構(gòu)的能力更強(qiáng)，可以明顯區(qū)分和預(yù)測(cè)爐膛(提升管)內(nèi)的稀相、密相區(qū)域及異質(zhì)結(jié)構(gòu)[20,80]。

現(xiàn)有的EMMS曳力模型均未考慮顆粒粒徑的寬篩分特性，且目前用以檢驗(yàn)的O-S模型基于FCC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而非CFBB系統(tǒng)，同時(shí)研究爐膛內(nèi)的氣固流動(dòng)特性時(shí)需考慮各部件之間的相互影響。因此，現(xiàn)有的曳力模型還需要進(jìn)一步改進(jìn)以適用于CFBB全回路多流態(tài)的模擬。

3 模型的耦合與選擇

盡管多相流模型通常被認(rèn)為僅對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生次要影響[81]，但出于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性考慮，在CFBB的模擬中考慮多相流模型和曳力模型的耦合對(duì)于模擬結(jié)果的影響十分必要。考慮到CFBB屬于CFB的應(yīng)用之一，而目前針對(duì)CFBB的模擬相對(duì)較少，因此對(duì)近20 a CFB模擬中采納的多相流模型、曳力模型及模擬對(duì)象和顆粒類型進(jìn)行了歸納(表2～4)。

表2 基于TFM多相流模型的CFB模擬Table 2 CFB Simulation based on TFM model

固體顆粒依據(jù)顆粒粒徑和與流體密度之差可以分為 A,B,C,D 四類。CFB鍋爐系統(tǒng)中，A類顆粒飛灰僅在爐膛中短暫停留， B類顆粒作為外循環(huán)回路的主要成分將直接影響流動(dòng)情況，故CFBB模擬的顆粒類型將以B類顆粒為主。

TFM模型和均勻曳力模型或EMMS曳力模型耦合是目前被采納最多的方法。相比于與均勻曳力模型耦合，TFM模型與EMMS的耦合基于EMMS穩(wěn)定性條件約束，能更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流態(tài)，是目前準(zhǔn)確性最高的模擬方法;模擬對(duì)象多為化學(xué)鏈燃燒(CLC)裝置、氣化爐和碳酸化器等小型/中試CFB提升管的研究，應(yīng)用于大型CFB全回路模擬的研究較少;涉及的顆粒類型主要是A類和B類。但TFM模型基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)粒徑分布[60,105]和缺乏尺度分離[106-107]，同時(shí)出于計(jì)算機(jī)性能考慮而簡(jiǎn)化了計(jì)算[108-110]，與真實(shí)情況存在一定差異。

表4 基于CPFD多相流模型的CFB模擬Table 4 CFB Simulation based on CPFD model

DEM模型在詳細(xì)追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)的同時(shí)增加了計(jì)算壓力[97]，因此多與均勻曳力模型耦合并應(yīng)用于小型循環(huán)流化床的模擬，涉及的顆粒類型主要為粒徑較大的D類顆粒，不適用于CFB鍋爐的模擬。

CPFD模型兼?zhèn)涮幚韺捄Y分、多粒徑的顆粒負(fù)載情況和追蹤單個(gè)顆粒、處理多分散顆粒群的能力，目前多與均勻曳力模型耦合，并被大量應(yīng)用于B類顆粒和大型CFB系統(tǒng)的模擬，同時(shí)由于CPFD模型能夠模擬非流化顆粒的運(yùn)動(dòng)而被不少研究者應(yīng)用于立管、返料閥等設(shè)備的研究。相較于完全依賴網(wǎng)格精度的TFM模型和大量追蹤粒子運(yùn)動(dòng)的DEM模型，CPFD模型兼?zhèn)涓咝屎蜏?zhǔn)確性，更適用于CFB鍋爐的模擬。

CPFD模型目前主要的不足在于對(duì)曳力把握的不準(zhǔn)確，但目前CPFD模型多與均勻曳力模型耦合，且因?yàn)楦吖酪妨Χa(chǎn)生誤差[24,78,111]。而將CPFD模型與EMMS模型耦合則能夠解決CPFD模型高估曳力的問(wèn)題，能夠獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果[100];同時(shí)CPFD模型中考慮了顆粒粒徑的寬篩分特性，得以彌補(bǔ)當(dāng)前EMMS曳力模型的不足。EMMS曳力模型CPFD模型與EMMS模型耦合的方法在理論上兼顧對(duì)氣固兩相分布和氣固、固相之間作用力的準(zhǔn)確描述，同時(shí)還優(yōu)化了數(shù)值計(jì)算效率，具有很高的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬能提供更詳細(xì)的流動(dòng)細(xì)節(jié)和可視化結(jié)果，加深了對(duì)爐膛內(nèi)氣固兩相宏觀和微觀流態(tài)特征的認(rèn)識(shí)，根據(jù)爐膛內(nèi)氣固兩相詳細(xì)的物理參數(shù)能完善對(duì)爐膛內(nèi)流態(tài)的定義。

(2)曳力模型是影響爐膛流動(dòng)特性數(shù)值模擬的關(guān)鍵。曳力模型可分為均勻曳力模型、關(guān)聯(lián)型曳力模型和極值型曳力模型:均勻曳力模型忽視了介尺度和微尺度不均勻結(jié)構(gòu)的影響，并將高估氣固間的曳力系數(shù);關(guān)聯(lián)型曳力模型基于均勻曳力模型，無(wú)法從本質(zhì)上解決均勻曳力模型高估曳力的問(wèn)題;EMMS極值型曳力模型有效解決了介尺度的問(wèn)題，并在近年得到了不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，是目前最好的曳力模型。但由于爐膛內(nèi)氣固流動(dòng)的復(fù)雜性及各部件之間的相互影響，目前的曳力模型仍存在不足，有待于建立符合爐膛流態(tài)的且適用于CFBB全回路系統(tǒng)的多流態(tài)曳力模型。

(3)目前大多采用EMMS模型與TFM模型耦合。然而TFM模型對(duì)固相的描述不夠準(zhǔn)確，無(wú)法捕捉流態(tài)的本質(zhì)特征;相比較而言，CPFD模型對(duì)于多相流的模擬要更加優(yōu)越，發(fā)掘新的流動(dòng)特性的可能更高。因此將EMMS曳力模型與CPFD多相流模型耦合是一種很有前景的循環(huán)流化床模擬方法，在未來(lái)會(huì)被更多研究者采用。