（化工过程机械专业论文）循环流化床脱硫反应器流动特性的实验研究与数值模拟.pdf

中文摘要 循环流化床烟气脱硫技术是近年来国内外正在研究开发的种先进的脱硫 技术，具有广泛的应用前景。本文以循环流化床脱硫反应器为研究对象，建立的 模拟实验装置采用了工业上广泛使用的新型文丘里气体分布器，对提升管内的流 动状况进行气相和气固两相流动实验研究和数值模拟计算，真实地描述了其流动 特征，并提出评价流动特征的方法。研究结果为优化文丘里气体入口结构及循环 流化床内气固两相传质、传热的研究及工艺设计提供了有益参考。 通过对气体单相流动的实验研究和数值模拟，确定了数值模拟计算结果与实 验值的吻合性，揭示了装置侧向进气结构特征和回料装置的存在严重影响提升管 内气体流动分布，使回料管下游产生了漩涡。在运用双方程k 一占模型进行数值 模拟的基础上，提出了用气体速度分布不均匀度概念和盲区百分比概念，对提升 管内的气体流场进行量化分析； 采用光纤探头测试技术，对不同工况下提升管内局部颗粒浓度的径向分布进 行了实际测量，结果表明，实验装置侧向迸气结构和回料装置的存在严重影响提 升管内气固流场分布，提升管内颗粒的流动出现了严重的偏流，截面上局部颗粒 浓度径向分布极不均匀；改进后的进气装置下，颗粒浓度分布明显改善； 建立了以颗粒动力学理论为基础的双流体模型，模型中考虑了固体颗粒对气 相湍流的影响，修正了气固两相流动中的湍流动能k 和湍流动能耗散率s 输运方 程的源项，对实验装置进行了模拟计算。结果表明，所建的数学模型较好地反映 了流化床反应器中的气固两相流动状况： 设计了工业装置，并利用所建的气固两相流动模型，对其气固两相流场进行 了预测，为工程装置设计提供依据。 关键词：循环流化床文丘里气体分布器不均匀度盲区百分比数值模拟 颗粒动力学双流体模型 a b s t r a c t f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ni na c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e di sq u i t can o v e lt e c h o n o l g y a th o m ea n da b r o a d ，a n dw h i c hp r o m i s e st oh a v eb e n e f i t sf o rt h ef u t u r e t h es u b j e c t i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rw a st h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dd e s u l f u r i z a t i o nr e a c t o r t h e e x p e r i m e n t a lf a c i l i t yw a se s t a b l i s h e da l o n gw i t ht h ev e n t u r id i s t r i b u t o r , w h i c hw a st h e l a t e s tt e c h n o l o g yu t i l i z e di nt h ei n d u s t r y b ym e a n so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ef l o wf i e l d so fs i n g l ep h a s ea n dg a s s o l i dt w op h a s e s ，t h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dw e r ed e s c r i b e d ，a n dt h em e t h o d so f e v a l u a t i n gt h ef l o wb e h a v i o rw e r ep u tf o r w a r d t h er e s u l t sp r o v i d eag o o dp l a t f o r m f o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fv e n t u r ii n l e ts t r u c t u r e ，a n dg i v eaf a v o r a b l er e f e r e n c e t ot h et e c h n o l o g i c a ld e s i g no f h e a ta n dm a s st r a n s f e r t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ef l o wo ft h es i n g l ep h a s e m o d e ls h o w e dt h a tt h ef l o wp r o f i l e si nt h er i s e rw e r eb a d l ya f f e c t e db yt h es i d ei n l e t d u c ka n dt h er e c i r c u l a t e ds o l i df e e di n l e tp i p e ，w h i c hr e s u l t si nav o r t e xb e h i n dt h e r e c i r c u l a t e ds o l i di n l e tp i p e b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o - e q u a t i o n k sm o d e l t h ec o n c e p t so fn o n a n i f o r m i t yo f g a sv e l o c i t ya n d d e a dz o n ep e r c e n t a g e w e r eu s e dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h eg a sf l o wf i e l di nt h er i s e r t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h er a d i a lp r o f i l eo ft h el o c a ls o l i dc o n c e n t r a t i o ni n t h er i s e ra td i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a sp e r f o r m e db yu s i n ga no p t i c a lf i b e rp r o b e t l l e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l o wf i e l do fg a s s o l i dp h a s e sw a ss e r i o u s l ya f f e c t e db yt h e s i d ei n l e td u c ka n dr e c i r e u l a t e ds o l i df e e di n l e tp i p e 。a tt h es a m et i m e t h ed e f e c t e d s o l i df l o wa p p e a r e da n dt h er a d i a lp r o f i l eo ft h el o c a ls o l i dc o n c e n t r a t i o nw a sv e r y u n e v e n ，w h i c hb e c a m eb e t t e ro b v i o u s l ya f t e rt h eg a si n l e tc o n f i g u r a t i o n w a s i m p r o v e d t h et w o f l u i dm o d e lc o m b i n e dw i t ht h ek i n e t i ct h e o r yo ft h ep a r t i c u l a t ep h a s e w a sb u i l t i nt h em o d e l ，t h ee f f e c to fp a r t i c l e so ng a st u r b u l e n c ew a st a k e ni n t o a c c o u n ta n dt h es o u r c et e r mo ft h eg a sk 一占m o d e lw a sm o d i f i e d t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fg a s - s o l i df l o wi nt h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t yw a sc o m p l e t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er e v i s e dm o d e lc a l lb e t t e rd e s c r i b et h eg a s s o l i df l o wp h e n o m e n o ni nt h e r e a c t o r t h ei n d u s 仃i a lu n i tw a sd e s i g n e da n dt h ep r o p o s e dg a s s o l i df l o wm o d e lw a s a p p l i e dt op r e d i c tt h ef l o wf i e l d i tp r o v i d e s af o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fa n e n g m e e n n g u n i t k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，v e n l u r ig a sd i s t r i b u t o r , n o n u n i f o r m i t y , d e a dz o n ep e r c e n t a g e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，k i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o w , t w o f l u i d m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鋈盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 笔位论文作者签名：李学平 签字日期：叫， 年月，z 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李辞电辛 签字日期：如 年6 月f 名日 导师签名： 柳乞烤 签字日期：7 卯r 年6 月1 名日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 循环流化床烟气脱硫技术概况 循环流化床作为一种高效的气固反应设备，广泛应用于石油、化工、能源、 环保等领域。1 9 7 0 年德国首先开发了用循环流化床吸收酸性气体，在8 0 年代中 期用于燃煤电厂的烟气脱硫并取得了良好的效果i i j 。其原理是在循环流化床内加 入消石灰，含s 0 2 的湿烟气和消石灰在循环流化床内充分混和反应，除去s 0 2 ， 同时还能除掉h c l 和i - i f 等酸性气体。用此法可处理高、中、低硫煤，适用范围 广，具有较高的脱硫率，在c a s 为1 o 1 5 时，能达到9 0 以上的脱硫效率1 2 j 。 循环流化床烟气脱硫技术利用了循环流化床优良的传热传质性能，是近几年 国际上新兴起的先进的烟气脱硫技术，它具有投资相对较低，脱硫效率相对较高， 设备运行可靠，操作维护方便，占地面积小等优点，因此正引起越来越多国家的 重视。我国己将其纳入重点开发研究和推广的烟气脱硫技术之一f l 2 、”。 国外拥有该技术的公司有德国的l u r g i 公司c f b 、德国w u l f f 公司的 r c f b ( r e f l u xc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ) 和丹麦f l s m o l j o 公司的g s a ( g a s s u s p e n s i o n a b s o r b e r ) 系统，美国已将此技术纳入其洁净煤计划中【4 。目前，德国、 瑞士等欧洲国家有多台循环流化床烟气脱硫装置在运行。 在我国，这方面的基础研究工作已经起步。清华大学煤的高效低污染燃烧国 家重点实验室作了约4 0 0 m 3 烟气量的脱硫机理实验研究，并就这一技术申请 了专利。它是在锅炉尾部利用循环流化床技术进行烟气脱硫。脱硫效率较高，当 燃煤含硫量为2 ，钙硫比为1 ：1 时，脱硫率可达8 5 以上。在钙硫比适当增加 的情况下，脱硫率将达9 0 以上。此技术初投资少，运行费用低，适用范围广， 脱硫成本约o 5 2 元公斤二氧化硫，适用于3 5 t h 锅炉到3 0 0 m w 锅炉的各种规 模的烟气量，而且对高、中、低硫煤都能适用。此外，此技术还非常适用于老厂 的改造。该技术正在应用于清华大学试验电厂的烟气脱硫示范工程中口。另外， 东南大学热能工程研究所也完成了“循环流化床烟气脱硫( c f b f g d ) 模拟中 试试验研究”，试验规模为2 0 0 0 m 3 h 。此项技术在国外已基本成熟，而我国烟 气脱硫起步晚，在技术装备水平、产品质量和成套性方面与国外设备相比有很大 的差距，还不具备完全工业化的条件。因此，在我国大气污染状况日益严重的情 况下，开发出脱硫效率商而又适合我国国情的烟气脱疏技术是一项有意义的工 第一章文献综述 作，有必要在循环流化床烟气脱硫的基础理论和实际工业应用两个方面进行深入 研究。 循环流化床脱硫器作为反应器，其内部流体流动行为和混和行为对最终反应 器的转化率和选择性产生重要影响。流体在反应器中的流动情况影响着反应速 率、反应选择性，直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设 计和优化的基础。循环流化床烟气脱硫技术的主要控制参数有床料循环倍率、流 化床床料浓度、烟气及脱硫剂在反应器中的停留时间、反应器内操作温度、钙硫 比、脱硫效率等。循环流化床作为脱硫反应器的最大优点是，可以通过喷水将床 温控制在最佳反应温度下，达到最好的气固紊流混合并不断暴露出来反应消石灰 的新表面，通过固体物料的多次循环使脱硫剂具有很长的停留时间，从而大大提 高了脱硫剂的利用率和脱硫效率【4 】。因此，循环流化床内良好的气固流动场特性 是上述控制参数的重要因素。 1 2 循环流化床提升管气固流动的动力学特性 1 2 1 气固流动的不均匀i 生研究 循环流态化气、固两相的流动行为相当复杂，不仅取决于气体速度、颗粒循 环速率及气固物性，而且受设备结构、操作温度和压力因素的影响。其基本特征 表现为局部结构上存在着颗粒聚集现象，整体结构上存在颗粒浓度、颗粒速度和 气体速度的轴径向不均匀分布【7 l 。 1 2 1 1 空隙率不均匀性 研究【8 、9 1 0 “1 2 1 表明，循环流化床提升管内空隙率的分布受到气速、颗粒循 环量、颗粒性质、进出口条件等多种因素的影响，颗粒含率沿轴向呈上稀下浓的 不均匀分布。b a i 等【l3 】系统地研究了各种因素( 包括操作气速及颗粒循环速率、 颗粒物性、不同出口结构及入口结构) 对轴向空隙率的影响，并对空隙率的各种 轴向分布做了较完整的描述；另外，也有学者对颗粒贮料量对截面平均空隙率轴 向分布的影响进行了研究【1 4 ”j 。 对空隙率的径向分布的大量研究 1 61 7 1 8 1 9 、2 0 1 表明，空隙率径向分布与操作 气速、颗粒循环速率、颗粒物性以及床层直径等因素有关；但是大量的实验结果 分析表明，只要截面平均空隙率一定，空隙率径向分布只是径向无因次位置, - r 的函数，而与操作条件等因素无关。 第一章文献综述 1 2 1 2 颗粒速度不均匀性 颗粒速度的分布实验2 1 、2 习结果表明，由于颗粒的湍动、返混以及聚集与解 体等原因，在床层的几乎所有径向位置，都可能测到颗粒的正、负向速度。在床 层中心区，颗粒主要向上运动，在边壁区颗粒速度较小，而颗粒时均速度为零的 径向位置，即是中心区与边壁区的分界点 2 3 】。 漆小波等讲l 对提升管中颗粒速度的分布进行了较为系统的研究，分别在不同 的表观气速和颗粒循环速率下测定了颗粒速度的分布情况，分析了颗粒速度沿轴 向的发展。结果表明，在低浓度的操作条件下，颗粒的加速段较短，随着颗粒循 环速率的增加，颗粒的加速段会不断的延长，以至于可能超过提升管的高度。 1 2 1 3 颗粒通量不均匀性 由于颗粒的聚集作用，在任何床层径向位置均存在颗粒的向上和向下运动， 对给定的床层截面，颗粒循环速度增大或操作气速减小均使颗粒在床中心的向上 流动通量以及在边壁区的向下流动通量增大，当操作条件一定时，随床层轴向位 置的升高，中心区向上的颗粒通量逐渐减小，说明沿床层径向存在着颗粒交换， 且净交换由床层中心指向边壁区【2 5 】。在快速流态化操作条件下，床层截面空隙率 较大时，研究【25 2 6 j 发现核心区半径基本不受颗粒循环速率以及床径的影响。w e i 等【27 采用非等速取样技术对提升管中颗粒通量径向分布进行了分析，认为颗粒通 量径向分布可基本分为三类，即环一核型、抛物线型、u 型。 总之，对整体流动而言，沿床层轴向，颗粒浓度一般呈上稀下浓的分布，在 床层出口具有强约束作用时，颗粒浓度沿轴向呈c 型分布；沿床层径向，颗粒 浓度在床层中心较小，而在边壁区最浓【7 1 。 1 2 1 4 提升管入口结构区的两相流动特性 y e m s l l a l r n i l 8 、2 8 l 弄口m o n c e a u x l 2 6 埘1 分别测定了循环流化床内压力梯度和压力 沿床高的分布，表明循环床沿轴向存在粒子加速区、充分发展区和顶部恒空隙率 区。快速流化床出口结构一般可分为两类，即弱约束类和强约束类【3 0 】，如图1 1 所示。弱约束出口结构对两相流动的约束作用较小，床层上部空隙率基本不受出 口结构的影响；而强约束出口结构在气速较低时( “。 3 m s ) ，一般对气固两相 流动的影响不大，但当气速较高时，会使床层空隙率形成中间高、上下两端低的 c 型分布【”。因此，在出1 2 i 结构区又存在着颗粒折流区和动量交换区。根据以上 分析，可以将提升管可以分为颗粒加速段、充分发展区( 传统快速流态化区) 、 出口结构区( 包括动量交换区和颗粒折流区) ，如图1 - 2 所示。 第一章文献综述 ( a ) 对颗粒流动具有强约束作用( b ) 对颗粒流动几乎无约束作用 图1 - 1 两种典型的出口形式 f i g 1 1t w oc l a s s i c a le x i tt y p e so fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 出口 环颗粒 图1 _ 2 循环流化床提升管分区示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er i s e ri nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 通常，将循环流化床流动形态描述为底部密相区和上部稀相区【3 l3 2 , 3 3 1 ，对 上部稀相区的流动有大量的研究，与之相比，对底部流动的研究却很少3 们。尽管 底部高度相对较低，但由于底部区域固相浓度较高，因而在流化床反应器中起着 非常重要的作用盼3 6 】，良好的气固流化是流化床内部反应的决定性因素之一。 而底部气固流动的均匀性与气体分布器密切相关。w e i n s t e i n 等【3 7 】研究表明，流 第一章文献综述 化床入口结构形式对床层底部加速区即入口区有着重要影响，而且这种影响可以 延伸到整个提升管。s a x t o n 和w o r l e y l 38 j 曾经指出，优化气体入口结构，可以加 快气体对固体颗粒的加速作用，从而快速获得均一气固浓度分布以缩短入口长度 和提高床层的利用效率。因此，良好的气体入口结构成为改善流化床具有稳定流 态化状态的重要途径之一，特别是对气固流化床，由于其气固流动固有的不均匀 性，因此，合理的设计气体入口结构显得尤为重要。对于良好的气体入口结构， 既要起到均匀分布流体的作用，使流化床有一个良好的起始流化状态，排除形成 “死区”的可能；同时又要保证通过进气装置的压降合理应用，以减少不必要的 能量损失。 作为气体分布器，文丘里管进口装置目前在工业中有着广泛的应用。在2 0 世纪8 0 年代德国l l b 公司率先开发的循环流化床烟气脱硫工艺中，文丘里管气 体入口结构就已得到了应用【3 9 】。马春元等在对双循环流化床半干法烟气悬浮 脱硫技术研究与工程实践过程中，认为文丘里流化装置结构简单、无易损件，并 且对流体阻力低，采用文丘里、环隙文丘里及多管流化方式，有防结垢能力和较 快的自趋均匀特性。虽然流态化的均匀性和分布器的特征密切相关，但至今为止 有关这方面的研究还很少m j 。 1 2 2 动力学模型 虽然流化床结构简单，但床内气固流动结构却极其复杂，建立普遍适用的数学 模型是相当困难的。白7 0 年代以来，许多研究者基于不同的理论和假设，提出 了不同的数学模型，力求得到流动特性的真谛，用数学形式概述其特征。主要分 为三类阶4 孙，即一维模型、半经验近似模型和两维或三维流体力学模型。 1 2 2 1 一维模型 一维模型以质量或动量平衡为基础，将整个悬浮段笼统的看成是一种单一流 体，预测轴向固体浓度和速度，但对径向没有考虑。其基本假设为：( 1 ) 各尺寸 颗粒的平均速度都等于颗粒所处局部流体的平均速度；( 2 ) 颗粒类似于气体成为 流体的一种组分而发生湍流扩散，并保持扩散平衡。 许多研究者l l 3 14 3 1 州在不考虑颗粒加速的情况下研究了循环流化床提升管中 颗粒浓度的轴向分布，通过对床层压降的测量求出床层截面平均颗粒含率。但有 文献【4 5 “6 j 报道，颗粒的加速在流化床中确实存在，且非常重要。 l i 和k w a u k 1 0 l 着眼于快速流化床内颗粒的聚集以及s 型空隙率分布特征， 提出了描述空隙率轴向分布的聚集分散模型。 大多数情况下，快速流化床上部稀相区空隙率轴向分布按指数规律变化。 第一章文献综述 r h o d e s 和g e l d a r t 4 7 1 、y a n g 4 8 3 提出了颗粒夹带模型。k u n i i 和l e v e n s p i e l f 4 9 1 在鼓泡 流化床模型的基础上，提出了只能用于湍动流化区空隙率轴向分布的夹带模型。 原则上对于在相同的表观气速、颗粒通量及出口结构的操作条件下，稀相区高度 将保持不变，与提升管高度无关。但是，s c h n i t z l e i n 和w e i n s t c i n t 5 0 】的实验结果却 表明稀相区的高度与表观气速、颗粒通量以及伴床中颗粒储量有关。此类模型不 能估计床内颗粒轴向的加速作用。 白丁荣等【5 1 采用拟均相假设，根据流体力学的连续性方程与动量方程，提出 了拟均相一维流体力学模型，描述了循环流化床内颗粒的轴向分布以及颗粒的加 速作用，并依此建立了催化裂化提升管再生器的数学模型，模拟了催化剂在快速 流态化条件下的再生行为。 1 2 2 2 半经验近似模型 对不同轴向位置的局部流动，用半经验近似模型来表征径向和轴向固体含率 及速度，如絮状物环形流动模型，环核模型。 此模型将气固流动沿床层截面划分为中部核心区和边壁环隙区。在核心区， 颗粒和气体一起向上运动，且颗粒含率较低；在靠近管壁的环隙区，颗粒总体向 下运动，且颗粒含率较高，要明显的大于核心区。假定在每一个区域内气体速度、 颗粒速度以及颗粒浓度为均匀分布，两区之间存在着气固两相的质量及动萤交换 5 2 】。h o r i o 等吲考虑到提升管中絮状物存在的实验事实，提出了c l u s t e r i n ga n n u l u s 模型，该模型需要絮状物空隙率、直径、终端速度等实验数据，测量上有一定的 困难，h a r r i s 等【5 4 】人针对这一问题对絮状物的所有特性进行了较为系统的研究， 提出了环核析出模型，但是仍存在经验参数的选择问题。 b a i 等1 55 5 6 】根据气固相互作用最小原理建立了一个理论性的环核两区模型， 认为环核流动结构的形成是气固相在不均匀流动状态下为使气、固之间相互作用 最小而形成的。 环核模型大多只是建立在简单的物料衡算的基础上，对局部流动结构的描述 过于简单化，而且包含过多的假设条件，因而缺乏有效性和普遍性。 1 2 2 3 利用基本的计算流体力学方法来描述两相流动 一维轴向流动模型和半经验模型都没有全面考虑提升管内的流动状况，各自 只是对提升管内轴向和径向上的流动情况作了简单描述。而此类模型使用流体动 力学基本方程来严格量化气固两相流动，用数值方法求解气相和颗粒相的基本流 体力学方程和相关的本构方程。因此，此模型的优点是具有良好的通用性，适合 研究提升管局部流动结构和预测复杂几何结构的影响【4 2 1 ，然而，此类模型的主要 第章文献综述 困难在于模拟和发展正确的本构关系和气相与颗粒之间的相互作用项。这种模型 有三种关键点【3 4 】：首先，湍流流动现象的模型非常复杂并且需要一些重要的简化 公式。第二，还没有一种单一全面的模型对循环流化床脱硫提升管中所遇到的所 有操作条件和颗粒特征是有效的；最后，这些模型只限于c f b 提升管中完全发 展的流动区域，因此，对提升管底部发展中的区域流动行为很少预测。 1 2 2 4 模型选择 综上所述，一维轴向流动模型仅能预测轴向固体浓度和速度，对径向固相浓 度和速度没有考虑。第二类模型需要经验的关系式或数据，不能用来预测提升管 中的流动结构。第一类和第二类模型包含了基于实验数据的关系式或关系式与基 本关系的结合。第三类模型具有良好的通用性，适合研究提升管的局部流动形态 和几何结构的作用。能够处理复杂的几何结构的局部流动现象，例如进口和出口 的作用。 1 2 3 计算流体力学( c f d ) 在循环流化床气固流动中的应用 1 2 , 3 1 c f d 方法 计算流体力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是计算数学与流体力 学的交叉学科，有着广泛和丰富的研究内容。它以计算机数值计算方法为基础， 直接求解流动主控方程( e u l e r 或n a v i e r - s t o k e s 方程) ，以便对各种流动现象规律 进行分析研究。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种 学科。在传统的数学分析难于实现的复杂边界条件或复杂几何形状和实验研究代 价过高以及工程装置的优化及放大设计方面，计算流体力学显示出作为一种新 颖、有效的新手段而日益受到重视。从6 0 年代开始，c f d 技术已用于航空工业 中飞机、发动机的生产和设计中，从8 0 年代中期至今，随着计算机和c f d 商业 软件的发展，c f d 以其强大的生命力，在航空、水力、电力、化工等领域得到 了广泛应用。 1 2 3 2 气固两相流的c f d 模型基础理论 计算流体力学的发展为深入了解多相流动提供了基础。多年来，研究两相或 多相流有两类不同的观点【5 7 1 5 龇：一种观点是同流体一样，将分散颗粒相作为连 续介质或拟流体，假设其在空间中有连续的速度分布以及传递性质( 粘性、扩散 等) ，由于两相均在e u l e r 坐标中处理，故称e u l a r i a l l 方法，也称双流体模型或颗 粒相拟流体模型。另一种观点是只把流体做为连续介质而把分散相颗粒作为离散 体系，探讨受各种力作用下的颗粒动力学、颗粒轨道等。由于对分散相的处理一 第一章文献综述 般在l a g r a n g e 坐标内进行，故称l a g r a n g e 方法，又称颗粒轨道模型。由于这两 种观点均将两相区别为不同的流体处理，故又称分离流理论。 1 、双流体模型一欧拉模型 将颗粒相处理为类似流体的连续相，利用数值模拟着手剖析工程中的问题。 认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体。在数学方程中，这类模型对流体、 颗粒都采用欧拉坐标系。其基本假设是【5 9 】：( 1 ) 在流场中的每一位置，颗粒相与 气相共存并相互渗透，每相具有各自的速度、温度和体积分数，但是每个尺寸 组的颗粒具有相同的速度和温度；( 2 ) 每一颗粒相( 尺寸组) 在空间中具有连续 的速度、温度和容积分数的分布；( 3 ) 每一颗粒相除与气相有质量、动量与能量 相互作用外，还具有自身的湍流脉动，造成颗粒的质量、动量和能量的湍流输运， 且颗粒脉动取决于对流、扩散、产生及与气相湍流的相互作用；( 4 ) 用初始尺寸 分布来区分颗粒组；( 5 ) 对于稠密颗粒悬浮体，颗粒碰撞会引起附加的颗粒粘性、 扩散和热传导。 在双流体模型中，由于颗粒相方程组具有与气相方程组相同的形式，因此给 求解带来便利，另外，当颗粒量很高时，双流体模型非常方便且在相对较小的计 算下能用于实际的流动。目前，基于流体力学基本原理建立起的多流体模型已经 得到越来越多的重视。 2 、颗粒轨道模型一拉格朗日模型 将颗粒处理为离散相，建立单个颗粒的运动方程，与气相n s 方程耦合求 解，颗粒的运动轨迹可根据求得的颗粒速度和设定的时间步长积分求得，将大量 的颗粒进行统计平均，可以获得颗粒相的流场。轨道模型正确地描述了单颗粒的 运动( 颗粒的旋转、和其他颗粒的碰撞等) ，对颗粒相的处理物理概念明确、简 单、容易模拟有蒸发、挥发及发生反应的颗粒的经历，在颗粒相的预报中无数值 扩散。传统的欧拉拉格朗日方法已经成功应用于稀相的气固流动中，忽略颗 粒之间的碰撞，例如，在粉煤炉燃烧器、旋风分离器和喷雾干燥器中【6 0 1 。主要的 困难是描述追随颗粒轨迹的气相湍流场和正确预测悬浮颗粒的受力。此外，由于 计算机容量的限制，数值计算的颗粒数量受到限制。因此，它不适用于流体流 体混合物，流化床和其他第二相体积分率不容忽略的情形。 1 2 3 3 计算流体力学软件的介绍 国内外有许多用于计算流体力学模拟计算的通用软件，比较著名的是美国 c h a m 公司等推出的p h o e n i c s ，g o s m a n 等推出的t e a c h 系列以及f l o w 3 d ， 第一章文献综述 美国f l u e n t 公司推出的f l u e n t 系列，以及英国a e a 公司推出的c f x 和 s 1 ：c r c d 。 计算流体力学软件一般分为三个部分，即前处理器、解算器和后处理器。由 于计算流体力学软件的不断出现及改进，使原先复杂的工作变得简单，从而可以 使工作集中，并且能对复杂的流体流动问题进行更深入细致的研究。对于设计、 改造等工程应用或实验室研究起到重要的指导作用。f l u e n t 公司开发的 f l u e n t 5 0 以及以后的版本基于微元体积法，可以用于计算不可压缩流体和可 压缩流体的复杂流动问题。f l u e n t 软件本身所带的物理模型可以准确的预测层 流、过渡流和湍流、多种方式的传热和传质、化学反应、多相流和其他一些复杂 的现象。此软件可以灵活的产生非结构网格，以适应复杂的几何结构，并且能根 据初步计算的结果来调整结构，进行更为精确的计算。前处理器g a m b i t 包括先 进的几何建模和网格划分方法，可以显著减少c f d 应用中的前置处理问题；此 外，允许用户将外部生成的几何结构或者网格信息导入到g a m b i t 中，例如可 以直接用a u t o c a d 作图，输入g a m b i t 后进行网格划分，其操作形式灵活多变。 1 3 本文的主要研究内容 为提高循环流化床脱硫反应器中的传热传质效率，优化设计气体入口结构， 分析探讨工程应用实例，本文采用实验分析及数值计算模拟相结合的方法，研究 了装有文丘里气体分布器的循环流化床中的流动状况，主要有以下内容： 第一章介绍了循环流化床在烟气脱硫方面的应用及意义，分析了循环流化 床内气固两相流场的实验研究和理论研究现状，综述了数值模拟方法在研究气固 两相流动方面的重要作用，指出良好的气体入口结构对改善流化床的流化状态具 有重要作用，从而确立了本文的研究重点。 第二章介绍单相湍流模型的建立及模拟的根本方法，在此基础上，概述气 固两相研究中的热点研究模型之一双流体模型，并重点分析以颗粒动力学理 论为基础的封闭模型，探讨颗粒的出现对气相湍流的影响。 新建气相湍流方程中的源项公式，为进一步模拟气固两相流动提供数学基 础。 第三章对文丘里入口结构下的提升管内的流场进行实验研究，获得大量实 验数据，首先分析单相流动下的气体流动状态，在此基础上，迸一步研究提升管 中的两相流动特征，分别对时均值和脉动值进行分析，为验证数学模型的有效性 及优化入口结构打下基础。 第四章针对文丘里入口结构下提升管内流动状况，采用合理的边界条件进 第一章文献综述 行流体力学理论建模分析，并与实验数据进行比较。首先采用不均匀度概念对单 相气体流动进行分析，并提出运用盲区百分比概念对此种新型反应器进行深入探 讨，从而提出优化的入口结构；对气固两相流动进行数值分析，验证数学模型的 可靠性，为进一步优化进口结构，获得良好的气固流场打下理论基础。 第五章以理论研究为基础，结合实际的工业过程，对气固两相流动结构进 行分析和预测，开拓工业应用领域。 第六章对全文进行总结并展望后续的研究工作。 第二章流体力学理论模型描述 2 1 物理方程 第二章流体力学理论模型描述 以连续流动介质力学理论为基础，纳维( n a v i e r ) 于1 8 2 1 年和斯托克斯 ( s t o k e s ) 于1 8 4 5 年，分别建立了描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动偏微 分方程，简称n - s 方程i 6 ”。其与质量守恒和能量守恒方程一起构成描述流体流 动的方程组。在基本假设条件下【6 2 】：( 1 ) 流体介质是连续的；( 2 ) 动量的粘性扩散 与应变( 即速度梯度) 成正比；( 3 ) 流体介质各相同性；( 4 ) 流体介质是均一的， 流体内的应力仅是速度、压力、密度和温度的函数；( 5 ) 当流体静止时，流体内 的压力就是流体中的静压力；( 6 ) 当流体仅作膨胀或压缩而无剪切形变时，流体 的平均法向应力等于压力；( 7 ) 方程的特性常数，如密度、粘度系数等要由实验 确定，描述不可压缩粘性流体流动的n a v i e r s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 可表 示为： 连续性方程： 坐：o 缎 动量方程 p 型+ 础，一o u , ： p 矿+ p u ，j f 2 堡+ “旦生+ ， 瓦叫菇 2 2 单相湍流理论模型描述 2 2 1 湍流理论模型 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 湍流运动的实验研究表明，虽然湍流内部结构十分复杂，但是它仍遵循连续 介质的一般动力学规律，系统仍服从质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定 律。湍流中的流动特征常数虽然随时间和空间而变化，但是任一瞬间的运动仍然 符合连续介质流动的特征。因此，在湍流中任一瞬时的参量都可以用平均量和脉 第二章流体力学理论模型描述 动量之和来代替。在实际工程应用中，人们关心流动的时均值而忽略湍流细节 所以工程计算中通常采用雷诺平均对方程( 2 一1 ) 和( 2 - 2 ) 进行处理。 将式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 中的速度和压力分解为时均值和脉动值，即： u i = “+ “ p = p p ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，u ，、p 为瞬时值，p 、“为时均值，“，、p 为脉动值。 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入连续性方程和n s 方程再进行雷诺平均，即可得 到描述湍流运动的雷诺方程和时均的连续性方程【6 3 “4 】。 雷诺方程： p 警m 考 ；一毒+ 毒h 考+ 善 _ p 而 + 硝 c z 固 连续性方程 堕：o c t x 当时间间隔t 很长时，则： “，：! i m l f u f l t 。 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 此时”不再是时间的函数，这种平均的方法称为霄诺平均。雷诺把一p u 。“， 项解释为作用于流体上的附加应力，即雷诺应力。在公式( 2 5 ) 和( 2 。6 ) 组成的方程 组中，除了u 。( i = 五y ，2 ) 和p 四个未知量外，新增加了u l u ? ( i = 薯y ，z ；，= x ，y ，z ) 六个未知量，但方程只有四个，因此方程组是不封闭的，所以，引用低阶的关系 或平均量来近似表示这些湍动量，也就是以湍流模式来模拟真实湍流的平均特 性。从而用这些微分形式或代数形式表示的模拟关系来封闭方程组。在湍流理论 中，获得雷诺应力的方法就成为了湍流模型。 为了解决雷诺方程的封闭问题，研究者已经做了大量的工作，也提出了不少 第二章流体力学理论模型描述 数学模型方法，总体上可将其分为两类，即基于湍流粘性假设的“有效粘性模型” 和直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力模型”。 2 2 1 1 有效粘性模型 根据一般粘性流中剪切力与速度梯度成正比的关系，b o u s s i n e s q l 6 5 1 于1 8 8 7 年提出了湍流粘性系数的概念，假设湍流中的雷诺应力与时均速度梯度成正比， 即： p u i z l j = 胁( 善+ 善 式中：“为湍流粘性系数。 同理，湍流运动粘性系数q 为 u ：盟 d 将式( 2 8 ) 代入式( 2 5 ) 得 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) p 鲁+ ，考= 一詈+ 毒( ，( 薏+ 警 + 鸺 c z 邶， 从而将确定雷诺应力的问题归结为确定湍流粘性系数肛的问题。最为简单 的处理办法是将4 在整个流场中均视为常数，但此假定较为粗略，只能用于一 些简单的湍流体中，如管道流动中。为了使湍流模型具有更为广泛的通用性，目 前已经提出了许多计算“的方法，根据模型中微分方程个数的不同，可将湍流 模型进一步分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。 1 、零方程模型 零方程模型是湍流模型中最早提出的，并用于解决工程实际问题。最简单的 湍流模型是p r a n d t l 于1 9 2 5 年提出的混合长度模型6 6 1 ，通过比较湍流扩散与分子 扩散过程，应用类似于气体分子动力论中分子自由程的概念，引进了新参数f 。， 即混合长度。其结果可用( 2 1 1 ) 式表达： 第二章流体力学理论模型描述 “：成陲+ 挈l 1 0 x i出l ( 2 - 1 1 ) 其中，乙为混和长度，由直观判断或实验确定。 混合长度模型的优点是简单直观，无需增加微分方程，它已成功地应用于预 报射流、边界层、管流和喷管流动等。但是该模型也有严重不足。例如，在管流 轴线上和栅网后方收缩通道流动中，平均流的速度梯度为零，此模型给出的湍流 粘性系数为零，这个结果是不对的。此外，对于复杂流动，诸如回流或旋流流动， 混合长度，。，难以确定。 2 、单方程模型 在零方程模型中，雷诺应力和局部平均速度梯度的联系是通过混合长度和湍 流粘性建立起来的，这是一个局部平衡的概念，缺少普遍意义。同时在 堕a y ) = 。 处，无法反应湍流中的雷诺应力。故人们建议在雷诺方程和连续性方程的基础上， 再建立一个湍流动能方程使方程组封闭，e t i ：以i g 种模型称为单方程模型6 甜。 p r a l l d n ( 1 9 4 5 ) 建议将湍流运动粘性系数写成式( 2 1 2 ) 形式陋6 】： 坼= c u k 2 l ( 2 1 2 ) 其中，c 。为实验常数，f 为湍流特征长度，k 为湍流脉动动能的时均值，即 1 1 i 1 五= 去( 拉：2 + 牡j 2 + ：2 ) 由n 。s 方程及雷诺分解【6 7 l 可得出湍流脉动动能k 满足的输运方程为 ( 2 一1 3 ) 詈m 考= c u ，u ) - = - r ，等一专b 瓦+ 可) 一u 若等+ u 骞c z 州， 从方程( 2 1 4 ) 可以看出，湍流脉动动能七的输运方程中除“。、一i g t u j 和之外， 又增加了脉动压力关联项及其它三阶项。为使方程封闭，必须对这些项作出近似 的假设。另外，z 的值仍需由实验确定。尽管单方程模型比混合长模型合理，但 对于简单流动，混合长模型已经能清楚的表达，无需使用单方程模型，对于复杂 第二章流体力学理论模型描述 流动，难以给出特征长度，的通用表达式，则无法使用单方程模型，因而，单方 程模型仅可以看成是发展双方程模型的一个中间步骤。 3 、双方程模型 虽然单方程模型引入了个湍流脉动动能方程，但还没有使湍流运动方程满 足封闭原则。在一些复杂的有回流区的湍流运动中，湍流特征长度? j 艮难