氣固兩相流動(dòng)中的一種顆粒相湍流模型

曾卓雄，徐曉東，王浩淵，程 恒，公 雪

（上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201306）

氣固兩相流動(dòng)廣泛存在于燃煤電廠、化工、冶金等領(lǐng)域，引起了國(guó)內(nèi)外諸多關(guān)注。徐啟等針對(duì)顆粒相采用拉格朗日模型，針對(duì)氣相采用Realizable-湍流模型，對(duì)煤粉旋流兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Wu等針對(duì)氣相采用湍流模型，利用雙流體模型模擬了噴動(dòng)床內(nèi)的氣固流動(dòng)。眾所周知，不僅固體顆粒自身存在湍流的產(chǎn)生和耗散，而且顆粒的存在對(duì)氣體湍流流動(dòng)也有很大的影響。在雙流體兩相湍流模型中，兩相速度脈動(dòng)關(guān)聯(lián)及產(chǎn)生項(xiàng)的封閉相對(duì)薄弱。早期簡(jiǎn)單的量綱分析方法或半經(jīng)驗(yàn)法被廣泛采用，其模擬結(jié)果和理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差距，因此，有必要建立兩相速度關(guān)聯(lián)的輸運(yùn)方程。Zeng等從大尺度的顆粒湍流脈動(dòng)和顆粒間碰撞引起的小尺度脈動(dòng)的概念出發(fā)，建立了顆粒相雙尺度模型。該模型物理意義明確，總體預(yù)測(cè)精度比其他湍流模型要好，但對(duì)計(jì)算要求高。綜合考慮模型的合理性及經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]，本文建立了將顆粒相雙尺度模型及兩相關(guān)聯(lián)湍動(dòng)能方程相結(jié)合的顆粒相湍流模型，將其計(jì)算結(jié)果與----模型的結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)該模型的模擬能力。

1 顆粒相雙尺度兩相湍流模型

2 旋流室內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算

兩相進(jìn)口為速度進(jìn)口條件，出口取充分發(fā)展條件。對(duì)氣相，壁面取無(wú)滑移條件；對(duì)固相，壁面取滑移條件。對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式，對(duì)差分方程組采用壓力-速度修正的SIMPLE算法求解。圖1為旋流室結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1為直流進(jìn)口；2為旋流進(jìn)口；、、、分別為中心孔直徑、環(huán)縫內(nèi)徑、環(huán)縫外徑、旋流室直徑，值分別32 、38 、64 、194 mm。分別采用本模型以及五方程模型對(duì)圖2的兩相流動(dòng)進(jìn)行了模擬。固體材料密度為2 500 kg·m，平均粒徑為60 μm。氣體中心質(zhì)量流量為9.9 g·s，顆粒質(zhì)量載荷0.034，氣體環(huán)縫質(zhì)量流量為38.5 g·s，旋流數(shù)為0.47。網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖2所示，其中：為徑向位置；為旋流室半徑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為文獻(xiàn)［9］的顆粒軸向脈動(dòng)速度。網(wǎng)格1的網(wǎng)格數(shù)為1 387 346，網(wǎng)格2的網(wǎng)格數(shù)為1 126 348，兩者結(jié)果基本重合。取網(wǎng)格2的結(jié)果作為分析對(duì)象。

圖1 旋流室示意圖Fig. 1 Geometry of the swirl chamber

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig. 2 Grid independence verification

圖3為氣體、顆粒兩相平均速度分布。對(duì)兩相軸向平均速度和切向平均速度而言，本模型以及模型的模擬結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，但是在截面中心區(qū)域，對(duì)于軸向速度，模型的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差距。

圖3 氣體、顆粒兩相平均速度分布Fig. 3 Mean velocity of the gas and particles

圖4為氣體、顆粒兩相脈動(dòng)速度分布。對(duì)氣相軸向脈動(dòng)速度和切向脈動(dòng)速度，兩種模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差都比較大，這可能是由于相位多普勒粒子分析儀（PDPA）測(cè)量結(jié)果有誤差，也可能是因?yàn)橥膭?dòng)能耗散率等變量方程的封閉還需改進(jìn)。但是對(duì)于顆粒相軸向脈動(dòng)速度及切向脈動(dòng)速度，兩種模型的模擬結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。顆粒湍流有其自身的對(duì)流、擴(kuò)散、產(chǎn)生和耗散，其平均速度及脈動(dòng)速度呈現(xiàn)出和氣相不一致的分布?？傮w上，本模型的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得更好，造成結(jié)果差異的主要原因是本模型的封閉更合理，既考慮了各向異性，又考慮了兩相相互作用的影響。

圖4 氣體、顆粒兩相脈動(dòng)速度分布Fig. 4 Fluctuation velocity distribution of the gas and particles

3 結(jié) 論

本文研究了旋流室內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，主要結(jié)論有：

（1）建立了顆粒相雙尺度模型及兩相關(guān)聯(lián)湍動(dòng)能方程相結(jié)合的顆粒相湍流模型，本模型同時(shí)考慮了脈動(dòng)各向異性以及兩相湍流間相互作用。

（2）利用本模型以及五方程模型對(duì)旋流兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并對(duì)比了兩種模型下兩相平均速度及脈動(dòng)速度的分布。

（3）總體而言，本模型的模擬結(jié)果比---五方程模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合。