流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬研究

0 引言

氣固兩相流化床已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工和食品等各種領(lǐng)域的造粒和包衣，與相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)不僅可以節(jié)約成本、減少能源消耗，而且有較高的速度和效率。其相關(guān)研究對流化床類工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和流化過程的主要工作參數(shù)的設(shè)定都具有重要的指導(dǎo)意義。但是目前對流化床內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷大多依靠人工的經(jīng)驗(yàn)，無法準(zhǔn)確詳盡的了解物料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，對流化過程不能準(zhǔn)確把握，容易影響最終的流化結(jié)果。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬在氣固兩相流領(lǐng)域也越來越受研究者們的喜愛。李九如等利用歐拉雙流體模型構(gòu)建了合理的氣固兩相流模型，并對鼓泡沸騰床進(jìn)行了氣固兩相模擬，結(jié)果表明雖然鼓泡床內(nèi)表觀氣速較低，但床內(nèi)氣泡與物料接觸卻十分充分，床層越高，顆粒溫度越高；顆粒濃度越高，溫度越低，反之亦然。趙俊楠等人采用Euler-Euler雙流體模型（TFM），對噴動(dòng)沸騰床內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)過程進(jìn)行模擬。獲得了不同高度上沿不同方向的速度分布，以及不同沸騰區(qū)域顆粒擬溫度的分布規(guī)律；并且計(jì)算得到的床內(nèi)顆粒濃度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。Prashant Gupta等人用小尺度的氣固流化床，模擬了其最小沸騰速度和壓降，研究了壁面附近和中部區(qū)域上、下床高度的固體速度差異。Mohamed Sobhi Alagha等人重點(diǎn)分析了與能源相關(guān)的氣固流化床，研究不僅包括對沸騰床系統(tǒng)的流體力學(xué)和熱場等基本現(xiàn)象的建模研究，還分析了溫度、粒度分布和床層空隙率對傳熱特性的影響。

綜上所述，為了分析流化床內(nèi)氣固流動(dòng)狀態(tài)，國內(nèi)外眾多學(xué)者也做了大量研究，且為了在仿真中得到較好的結(jié)果，也不斷提出和改進(jìn)仿真過程中各種數(shù)學(xué)、物理模型。但目前在數(shù)值模擬方面，這些研究大多是二維的，一些三維模擬大多數(shù)是基于雙流體模型的，這改變了顆粒真實(shí)的受力狀態(tài)，在分析顆粒運(yùn)動(dòng)特性的研究中有一定的局限性，且偏差較大。為了能夠真正的了解流化床內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文采用歐拉-拉格朗日模型，基于CFD-DEM對氣固兩相流化床進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，結(jié)合實(shí)際工況參數(shù)條件，研究流化床內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為流化床相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 理論模型

本文采用CFD-DEM耦合方法，歐拉-拉格朗日模型，將流化床內(nèi)空氣視為連續(xù)相的理想氣體，物料顆粒視為離散相固體。EDEM-Fluent耦合過程是一個(gè)瞬態(tài)雙向數(shù)據(jù)傳遞的過程。首先，利用Fluent對氣相的瞬態(tài)流場進(jìn)行模擬計(jì)算，得到一個(gè)時(shí)間步的流場信息，然后啟動(dòng)EDEM進(jìn)行相同時(shí)間迭代，利用耦合接口將顆粒的位置、運(yùn)動(dòng)、體積、溫度等信息傳遞至Fluent中，計(jì)算顆粒與流體的相互作用，流體對顆粒的作用將通過接口傳遞至EDEM作為顆粒體積力影響顆粒的運(yùn)動(dòng)，而對流體的作用通過動(dòng)量源的方式作用于流體中。逐步循環(huán)迭代，實(shí)現(xiàn)全過程的瞬態(tài)模擬?；贒EM方法的相關(guān)特點(diǎn)，對于顆粒之間具有比較復(fù)雜的力學(xué)特性的模擬該方法尤其適合。再結(jié)合相關(guān)流體力學(xué)，能夠?qū)⒐滔嗪蜌庀嘀g相互作用的過程準(zhǔn)確的分析出來。CFD-DEM耦合的方法能夠在考慮顆粒形狀、物理性質(zhì)等各種因素的情況下，對顆粒相之間的接觸與作用過程進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，清楚模擬出顆粒的運(yùn)動(dòng)與受力。圖1為DEM-CFD耦合求解原理。

圖1 CFD-DEM耦合求解原理

2 仿真模型的建立

2.1 計(jì)算模型

流化床相關(guān)設(shè)備的幾何外形都基本類似，一般分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，在上層結(jié)構(gòu)中有抖袋、排氣管、反吹裝置及其他一些部件，中間結(jié)構(gòu)一般是物料顆粒料倉以及物料流化所需區(qū)域，下層結(jié)構(gòu)中有進(jìn)氣管、加熱器、空氣導(dǎo)流板等。流化床設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了在模擬中減少計(jì)算量，對流化床結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，只對中間結(jié)構(gòu)中的流化區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬。首先利用三維建模軟件UG對流化床顆粒流化區(qū)域的殼體進(jìn)行三維建模，再用ANSYS中Space Claim對物料顆粒流體區(qū)域進(jìn)行體積抽取，最終得到如圖2所示的流體計(jì)算域進(jìn)行模擬。

圖2 流化床流體區(qū)域示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

在流體計(jì)算的過程中，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分是一個(gè)十分重要的步驟，劃分網(wǎng)格的類型是否合適、密度是否恰當(dāng)、質(zhì)量的好壞都將直接對模擬產(chǎn)生影響。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)。因此，網(wǎng)絡(luò)劃分直接影響計(jì)算精度。本文流化床模型經(jīng)過簡化后較為簡單，在meshing中直接用六面體對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可，如圖3所示，網(wǎng)格單元尺寸為50 mm，共劃分網(wǎng)格1680個(gè)。依照Meshing中網(wǎng)格度量標(biāo)準(zhǔn)，查看所有網(wǎng)格單元正交質(zhì)量均大于0.75，且有90%以上網(wǎng)格的單元指標(biāo)大于0.9，網(wǎng)格質(zhì)量很好，檢查結(jié)果符合計(jì)算要求。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 耦合參數(shù)設(shè)定

EDEM是專業(yè)用來模擬、分析顆粒的離散元軟件，通過前處理模塊，不僅可以方便的為物料顆粒進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)置其相關(guān)物理特性和力學(xué)特性，也可以建立或?qū)胂嚓P(guān)設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)。本次模擬在EDEM中設(shè)物料顆粒為球形，顆粒與顆粒間的接觸選取Hertz-Mindlin無滑移模型，模擬中采用的物料顆粒均為均質(zhì)球體，在模擬過程中不產(chǎn)生任何變化。EDEM中主要工況參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 EDEM模型參數(shù)設(shè)置

Fluent是目前功能最為全面、適用范圍最廣的CFD軟件之一，被廣泛用于流體的流動(dòng)與傳熱等相關(guān)計(jì)算。在本文模擬中，設(shè)置流化床底部為速度入口邊界條件，為了模擬真實(shí)進(jìn)風(fēng)情況，為速度入口編寫表達(dá)式IF（t＜=0.5[s]，t/1[s]*4.88[m/s]，2.44[m/s]），在0-0.5s的時(shí)間里，進(jìn)口風(fēng)速以每秒4.88m的加速度呈直線上升，0.5-6s進(jìn)口風(fēng)速都為2.44m/s，以接近開始時(shí)進(jìn)風(fēng)速度小隨后進(jìn)風(fēng)速度穩(wěn)定的實(shí)際情況；頂部設(shè)置壓力出口邊界條件，出口表壓為0pa.。湍流模型使用SST k-w模型。k-w模型可直接求解邊界層網(wǎng)格數(shù)據(jù)，對近壁面能較好處理，旋轉(zhuǎn)、分離、大應(yīng)變率都有較好精度，能夠準(zhǔn)確預(yù)升力與阻力。BSL k-w模型近壁面采用k-w模型，主流區(qū)采用k-e模型，整合了兩者優(yōu)點(diǎn)，而SST k-w模型是簡化的BSL k-w模型，減少了其計(jì)算量。該模型具有較高物理可靠性，可為氣固流化床湍流過程提供精確解。具體的模擬工況條件如表2所示。

表2 Fluent模型參數(shù)設(shè)置

圖4 不同時(shí)刻兩相混合系統(tǒng)模擬結(jié)果

3 仿真結(jié)果分析

為了探究流化床內(nèi)顆粒流動(dòng)狀態(tài)，對氣固兩相流化床進(jìn)行了6s的數(shù)值模擬。截取了部分時(shí)刻流化床內(nèi)顆粒位置信息，這些時(shí)刻基本包含了氣固混合過程中的所有情形，具有一定的代表性，其中顆粒的顏色表示顆粒的速度大小。

初始狀態(tài)時(shí)，底部空氣速度入口擾動(dòng)流場，增加了氣相的軸向流動(dòng)速度，顆粒以較小的速度開始向上升起?？梢院芮宄乜吹皆趖=0.5s時(shí)，底部沉積的顆粒在風(fēng)力的作用下已經(jīng)被吹起來，空氣通過堆積的顆粒，攜帶附近顆粒向上運(yùn)動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)到上方后，空氣由于壓強(qiáng)原因四散流動(dòng)，顆粒也會(huì)隨之散落。在t=1s和t=2s時(shí)，受風(fēng)力的作用，顆粒整體依舊有向上流動(dòng)趨勢，但可以看出在流場的湍動(dòng)能在推動(dòng)顆粒作上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，中間的顆粒也有一部分在重力作用會(huì)向四周擴(kuò)散并在靠近壁面處向下流動(dòng)，因?yàn)楸诿娓浇耐膭?dòng)能難以對這部分顆粒提供足夠的驅(qū)動(dòng)動(dòng)能。在下落過程中，如果又遇到上升的氣流，顆粒在近壁面也會(huì)呈現(xiàn)出一種渦旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨時(shí)間推移，在t=3s后流化床內(nèi)顆粒有沿四周壁面震蕩的趨勢，顆粒沿壁面達(dá)到某個(gè)位置最高點(diǎn)，由于升力變小又受重力作用顆粒會(huì)沿壁面下落至底部，但顆粒運(yùn)動(dòng)依舊強(qiáng)烈。

從整個(gè)時(shí)間段的氣固兩相流模擬計(jì)算結(jié)果來看，可以看出靜止顆粒在氣體吹動(dòng)下向上翻騰，氣流旋渦位置、大小和形狀不斷發(fā)生改變；顆粒整體運(yùn)動(dòng)在達(dá)到穩(wěn)定后呈現(xiàn)出一種沿壁面不斷震蕩的結(jié)構(gòu)，在近壁面也存在一種渦旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且顆粒運(yùn)動(dòng)并非能一直保持這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而是間歇性運(yùn)動(dòng)，一輪結(jié)束，新一輪開始。

4 結(jié)論

文章基于CFD-DEM耦合的方法對氣固兩相流化床進(jìn)行了6s的數(shù)值模擬，探究不同時(shí)間流化床內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過分析可知：由于流化床流化區(qū)域錐形結(jié)構(gòu)原因，開始時(shí)顆粒在氣流帶動(dòng)下向上翻騰，隨著時(shí)間推移，顆粒在通入氣流的影響下會(huì)形成沿四周壁面不斷震蕩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；顆粒在空氣升力的作用下沿壁面被推向最高點(diǎn)，隨后四散下落至流化床底部，接著一部分顆粒又會(huì)隨機(jī)被帶向另一個(gè)最高點(diǎn)，一輪結(jié)束，新一輪開始，不斷循環(huán)往復(fù)；而在顆粒震蕩的大趨勢下，在近壁面處也存在著大小、形狀不同的氣流渦旋，影響著顆粒的運(yùn)動(dòng)。模擬表明：基于CFD-DEM耦合對氣固流化床進(jìn)行數(shù)值模擬，可以透明的看到流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠時(shí)刻掌握流化的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而控制整個(gè)生產(chǎn)過程，為流化床相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)及流化參數(shù)的設(shè)定提供了理論支撐。