基于Fluent軟件的分選流化床在生物質(zhì)應(yīng)用教學案例分析*

付 鵬，姜 文，張玉春，唐秋燕，呂致琳，李治宇

(山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化原理是一門理論性強，與生產(chǎn)實際聯(lián)系緊密的一門課程，是搭建在理論與實踐之間的橋梁。許多學生建立工程概念之前都會接觸到這一門課程，但它又有著計算量巨大、邏輯性極強和概念知識晦澀難懂的特點，很容易讓學生望而生畏。如何讓學生入門，成為了該課程教師的攻堅問題。2016年6月23日，教育部發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，《規(guī)劃》指出教師的信息化教學水平是學校辦學水平的評判指標之一。為貫徹教育部信息化教學理念，完善化工原理教學體系，解決生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化原理課程學生接受程度低的問題，有不少老師將Fluent軟件引入到了教學課程當中。目前國內(nèi)外的專家學者都對流化床進行的深入的研究，在2013年，王東[1]利用有限元分析軟件ANSYS對振動流化床進行熱力耦合，他發(fā)現(xiàn)將溫度作為應(yīng)力變量施加在模型之上，進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)備在不用振動頻率的應(yīng)力和溫度下的刑辯能力。2015年，陳家權(quán)等[2]用有限元法對流化床的振槽部分，按最大受力條件進行靜力分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，根據(jù)應(yīng)力分布情況，對振槽進行優(yōu)化改進。

Fluent仿真模擬是通過有限元分析中的數(shù)學方法進行分析簡化之后的物理模型[3]，來還原其真實的運動狀況(流場，幾何和載荷分布)。有限元分析通過數(shù)值分析和微分方程十分方便的解決了很多人們之前難以解決的問題，以非常直觀的方式(圖片和動畫)來展示計算的結(jié)果，極大的推動社會的發(fā)展。氣固兩相流在化工、煤礦行業(yè)、航空航天、新能源等行業(yè)應(yīng)用[4]廣泛；例如在食品、化工和新能源[5]行業(yè)，需要對流體流量進行檢測，控制流量的精確程度很大程度上會改變反應(yīng)的結(jié)果，從而影響實驗的結(jié)論，多于流量的檢測至關(guān)重要。但是在流量控制方面也存在著很多需要解決的問題，因為流體涉及的種類繁多，不僅有單相流還有多相流的檢測，最重要的兩個問題就有質(zhì)量流量監(jiān)測和體積流量監(jiān)測。氣固兩相流有很多重要的參數(shù)，固相的質(zhì)量就是其中之一，它的精確計量會對各領(lǐng)域的生產(chǎn)發(fā)展有重要意義，例如坩堝燃燒中的流固耦合、生物質(zhì)原料各類的秸稈去雜質(zhì)、去硫脫氮保護生態(tài)環(huán)境方面都有著非常大的貢獻。但是生物質(zhì)燃料進行燃燒如何增加燃燒效率，提高生物質(zhì)的利用率是可以利用兩相流通過Fluent解決；固體顆粒濃相氣力輸送是一個非常復雜的氣固兩相流系統(tǒng)[6]，隨著固體顆粒的不斷輸入，反應(yīng)器中的固體顆粒會受到氣場的影響、顆粒之間的碰撞和顆粒對壁面之間的碰撞都會改變他們的運動軌跡。固體顆粒在反應(yīng)器中會受到撞擊、滾動、滑動等多種不同形式的運動狀態(tài)；固體的流動形式也可以分為二次流、分離流、剪切流等多種流動形式；通過Fluent數(shù)值模擬兩相流的運動結(jié)果不僅能夠節(jié)約成本和時間，還能夠增大實驗的便捷性和可調(diào)試性。

目前，生物質(zhì)的不斷發(fā)展和新能源方向的不斷成熟，生物秸稈的利用不斷增加，通過對玉米，稻谷等的秸稈制粒可以提高生物質(zhì)的利用率，延長保質(zhì)水平的作用，所以生物質(zhì)的制粒過程備受關(guān)注。玉米秸稈經(jīng)過粉碎，制粒成的生物質(zhì)顆粒存在密度不均等一系列的問題[7]，密度不均的顆粒會造成生物質(zhì)顆粒利用效率不高的問題，如燃燒的效率差，分解時濃度不夠等一系列問題。通過分選流化床我們可以將密度不同的生物質(zhì)顆粒進行分選，將密度不夠的顆粒進行再加工，具有干燥，提質(zhì)等優(yōu)點[8]。分選流化床具有結(jié)構(gòu)簡單，方便檢修，在生物質(zhì)方向具有很大的應(yīng)用潛力，本文我們以玉米秸稈生物質(zhì)顆粒作為物料，簡化流化床模型，將秸稈顆粒的密度分選作為教學的案例[9]。

本文利用Fluent中的流體模塊來分析流化床物料的分層，實際就是氣固兩相流的原理(氣就是我們案例中的所通的空氣，還可以通其他不同的氣體，固體我們選用的是秸稈的生物質(zhì)顆粒)。主要研究氣固兩相流流化床裝置設(shè)計及基于歐拉模型[10]的Gidaspow模型數(shù)值仿真。在氣相的輸送過程中，為了充分考慮其固體與固體之間的相互碰撞以固體與壁面之間的碰撞，我們可以建立實驗裝置的模型，通過Fluent進行仿真計算，還原出固相和氣相的變化以及顆粒的運動，從而解決我們實際問題。

1 Fluent軟件

Fluent是通過微分方程和數(shù)值分析以及建立起來的精密的物理模型來提供用戶準確的仿真，來模擬湍流，層流，多相流模型中的VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型，傳熱模型、組分運輸模型、動區(qū)域模型、動網(wǎng)格模型等很多復雜的流動模型[11-12]，它的求解器基于微分方程和動量和能量方程提供很多流體流動的解法，分別有壓力分離算法、基于密度的耦合顯示算法、基于密度的耦合隱式解法、耦合壓力基算法等。如今的電腦飛速發(fā)展，CPU處理器的性能不斷提高、處理的核心也不斷增多，F(xiàn)luent可以將不同的核心運用處理不同的問題，并行處理計算方程，極大縮短的計算的時間，提高計算的效率這也是Fluent的一大優(yōu)點。

Fluent的應(yīng)用不僅局限于此，為了滿足用的一些特殊要求，F(xiàn)luent系統(tǒng)開發(fā)了一些供需求者需要的二次開發(fā)接口(user defined function，UDF)功能[13]，是用戶自編的程序，采用用戶所熟悉的C/C+語言編寫，用戶可以編譯自己匯編程序，然后加載到Fluent的運算環(huán)境當中，從而滿足特殊的條件需求。Fluent除了供UDF使用的二次接口，還可以使用Scheme 語言[14]進行二次開發(fā)。C語言的匯編程序一般都是先指定頭文件，然后定義Fluent能識別的變量通過計算方法表達參數(shù)的變化，Scheme語言不同于C語言，它是由Lisp語言一步一步發(fā)展形成，他的匯編方式很特殊，表達式用括號括起來，括號里面的第一個出現(xiàn)的是函數(shù)名或者操作符，其它是參數(shù)。

1.1 Fluent軟件的操作流程

(1)物理問題抽象化：這一步的目的是我們要明確我們要解決的問題，我們通過將問題抽象出物理模型，通過所擁有的物理量去計算解決問題，同時也要注意處理問題的一些細節(jié)點。

(2)計算域確定：在確定了計算內(nèi)容之后緊接著要做的工作是確定計算的空間。這里的關(guān)鍵就是建立簡化的模型。在幾何建模的過程中，我們需要考慮很多參數(shù)計算，那些無關(guān)參數(shù)我們需要去除，那些有效數(shù)據(jù)我們需要考慮，這些都將會直接影響仿真的結(jié)果。

(3)劃分計算網(wǎng)格：當幾何模型建立完畢之后，我們緊接著就是劃分網(wǎng)格，流場復雜的部分我們可以畫的比較精確，流場簡單的地方我們可以網(wǎng)格畫的簡略一些，有膨脹系數(shù)的壁面要添加膨脹。網(wǎng)格不是越小越好，適合計算、節(jié)約時間根據(jù)實際問題覺得網(wǎng)格大小就行。

(4)選擇物理模型：根據(jù)需要解決的不同問題，我們需要匹配相關(guān)的流體模型進行計算，我們可以根據(jù)問題選擇湍流模型、層流模型、傳熱模型、多相流模型、組分運輸模型還是動網(wǎng)格模型，從而方便解決問題。

(5)確定邊界條件：在確定計算域的過程中，我們其實就已經(jīng)定義了各部分的位置，確定邊界條件就是在各個部分確定具體數(shù)值，例如本文案例中的下面部分是inlet，上面部分是outlet，左右兩邊是walls，然后我們設(shè)置入口速度，出口壓力，walls摩擦系數(shù)等參數(shù)。

(6)設(shè)置求解參數(shù)：以上工作完成之后，我們就開始設(shè)置求解的參數(shù)。其中就包括了一些曳力模型，粘度模型，求解的精度，初始床層的確定，收斂的精度等。若為瞬態(tài)計算，我們還需要設(shè)定圖片的保存，動畫的設(shè)定等。

(7)初始化并迭代計算：在進行迭代計算之前，往往需要進行初始化。對于穩(wěn)態(tài)計算，選擇合適的初始值有助于加快收斂，初始值的設(shè)定不會影響到最終的計算結(jié)果。而對于瞬態(tài)計算，則需要根據(jù)實際情況設(shè)定初始值，初始值會影響到后續(xù)時間點上的計算結(jié)果

(8)計算后處理：計算完成后，我們可以保存自己之前設(shè)定的圖片和動畫，這些動畫所展示的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過精密迭代計算而來，我們?yōu)榱饲宄膶?yīng)到需要解決的問題，可以將其對應(yīng)的云圖，粒子的速度圖打開，觀察分析數(shù)據(jù)，從而解決問題。整個的操作流程如圖1所示。

2 Fluent模擬生物質(zhì)方向教學實例

生物質(zhì)方向涉及的領(lǐng)域非常的廣，我們對列舉玉米秸稈生物質(zhì)顆粒的分選課題，查閱資料顆粒的密度為1 100 kg/m3，粘度定位1.79 kg/(m·s)，顆粒直徑5×10-4m[15]。

(1)為了能比較清楚的展示出更分選流化床的床體，我們可以建立一個B×H(0.2×1.2)m的二維幾何模型；

(2)處于計算方便的目的，我們設(shè)定通入的氣體的參數(shù)恒定不變；

(3)分選流化床床層內(nèi)的固體顆粒尺寸一致，且規(guī)則。

按以下參數(shù)進行Fluent流化床的模擬分析，見表1。

表1 數(shù)值參數(shù)Table 1 Numerical parameters

2.1 劃分計算網(wǎng)格

進入Meshing界面進行網(wǎng)格設(shè)置，我們主要通過設(shè)置單元尺寸、平滑程度、伸展度、網(wǎng)格圖形、長寬比等等來確定網(wǎng)格，通過檢查網(wǎng)格的質(zhì)量生成的數(shù)值來確定網(wǎng)格的好壞。當我們設(shè)置網(wǎng)格時，我們默認正方形單元，長寬比為1是較好的單元，無特殊情況，方體的網(wǎng)格的長寬比不會超過5。我們也可以使用Gambit[16]進行制作網(wǎng)格，一個好的網(wǎng)格能極大極高云圖的效果，計算的效率。根據(jù)實際運算，我們設(shè)定用CFD中5 mm大小的網(wǎng)格進行Fluent的計算，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary conditions

2.2 根據(jù)參數(shù)選擇模型設(shè)置邊界條件

將劃分好的網(wǎng)格導入到Fluent中進行求解器的計算，我們采用Pressure-based的Transient求解器；選用基于壓力—速度的耦合的Simple算法，兩相流動的動量方程、連續(xù)性方程和k-ε采用一階迎風式；設(shè)定表觀風速、出口壓力，如圖3所示。

圖3 計算方程設(shè)定Fig.3 Calculation equation setting

2.3 初始化并進行迭代

我們采用Fixed類型，User-Specified的方法，時間步長設(shè)置為0.001 s迭代3 000步，總共3 s鐘計算收斂，如圖4所示。

圖4 迭代計算參數(shù)Fig.4 Iteratively calculated parameter

2.4 計算后處理模型校核修正

如圖5所示，我們分別截取了流化床四個不同時刻顆粒體積分數(shù)的瞬時圖，左邊圖像的顏色深淺代表不同體積分數(shù)的固體顆粒。右邊則是不通氣情況下，不同時刻的固相分布，通過圖5，我們能夠分析得出，流化的效果大致承對稱狀態(tài)，從0.5 s我們能夠發(fā)現(xiàn)床層開始分層，氣泡開始涌入，慢慢上升，在1～2 s之間，我們發(fā)現(xiàn)氣泡不斷上升，直到最后離開床層，已經(jīng)出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，在2～2.5 s之間，固體顆粒的流化狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，物體的固相隨著氣相的作用達到了穩(wěn)定流化的效果，固相也有了比較明顯的分層。

圖5 顆粒體積分布Fig.5 Particle volume distribution

3 教學環(huán)節(jié)分析

在生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化原理課程應(yīng)用Fluent軟件，能夠大大提高學生對問題的理解能力。Fluent的仿真模擬也極大程度上減少了很多教學成本，我們可以先通過仿真，在理論上實現(xiàn)以后，在通過建立模型驗證仿真結(jié)果的準確性。通過模擬流化床分選生物質(zhì)顆粒，通過學習讓學生感受Fluent的實用性，具體的教學環(huán)節(jié)分析：

(1)教學多樣化，課堂更加有趣

在傳統(tǒng)的教學環(huán)節(jié)中學生往往都是以做實際操作的形式完成實驗，然而有些實驗過程難以理解，且實施過程困難，可以通過Fluent的引入，反應(yīng)內(nèi)部以動畫形式展現(xiàn)在屏幕上讓學生能感受課題的樂趣，增加對知識點理解。

(2)提高教學安全，節(jié)約教學成本

在課堂教學過程中往往需要做很多相關(guān)的實驗，然而有些過程內(nèi)部難以展現(xiàn)，同時也伴隨著很多的安全隱患，如果我們引入Fluent就能夠提高課題的范圍。學生在學習過程中，也可以更換變量進行模擬實驗，完成自己的實驗?zāi)康模蠙C操作幾乎零成本，既節(jié)約了實驗成本，又能夠提高教學的安全性。

4 結(jié) 語

通過對本文的案例學習，能夠讓學生們通過Fluent仿真模擬的學習，了解Fluent的建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件、設(shè)置迭代方程、保存動畫、分析問題的流程操作，有利于培養(yǎng)學生的開創(chuàng)性思維和思考問題的能力。將Fluent應(yīng)用到生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化原理課程當中十分有必要，將Fluent仿真軟件和實驗課程相結(jié)合，開闊了學生視野，提高了教學效率，為教學改革提供可參考的路線。