（化工过程机械专业论文）欧拉欧拉法脉动流化床运动行为模拟.pdf

摘要 流化床技术广泛应用于能源、化工等领域，但目前以实验手段研究流化床内的多相流流 动、传热及传质在模型放大、结果预测等方面仍显不足，而数值模拟方法在解决这些问题时 可以完整的取得所需的各种数据，可以在实验之前对实验结果进行预测，对流化床的操作具 有指导意义。 气固脉动流化床是在普通流化床的基础上加入脉动气流，文献中报道了其可以改善普通 流化床的流动及传质传热特性，但流化床内更为复杂的流动状态，使得研究变得更加困难。 本文使用计算流体力学( c f d ) f l u e n t 软件中的欧拉欧拉模型，采用目前已被证实可靠的曳 力模型、湍流模型等进行了数值模拟，模拟过程中使用自定义函数定义了脉动气流的波形、 频率、波幅等参数，根据收敛性要求选取了松弛因子、时间步长以及求解方式。 在流化效果趋于稳定之后记录了床层压降的波动情况、气固两相的分布情况及气泡的运 动行为等；分析了压力波动与脉动气流的频率、波形的关系，在脉动气流作用下流化床内的 气泡生成、长大、融合、破碎等情况，以及气泡行为与床层高度的关系等；计算得出床层膨 胀比、起伏比，以及脉动气流对流化床流化的总体影响效果。 数值模拟实验结果表明脉动气流可以降低流化床的初始流化速度，在接近共振频率脉动 气流的作用下流化床的流化效果有明显改进，流化床内的湍动程度加强；并验证了气泡定义 的合理性，以及气泡内乳相的存在情况，气泡内压的变化主要是受床层高度、气泡长大及内 外质量交换的影响。通过模拟矢量图可以清楚地看到在气泡作用下颗粒相在流化床内的循环 情况，为进一步研究脉动气流对流化床的作用效果打下基础。 关键词：c f d ；欧拉法；数值模拟；脉动流化床；气泡；床层压降 a b s t r a c t f l u i d i z e d b e dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n e 唱y ；c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，a n d m a n yo t h e ri n d u s t d a lf i e l d s t h ee x p e r i m e n t a lf i n d i n g so nm u l t i p h a s en o w h e a t 锄d m a s st r a n s f e ri nn u i d i z e db e da r en o ts a t i s f a c t o r ye n o u 曲t os c a l eu pn u i d i z e db e da n d p r e d i c tr e l i a b l ep r a c t i c a lr e s u l t sf o r i n d u s t r i a l n u i d i z e db e d 印p l i c a t i o n s n u m e d c a l m o d e l i n g 锄ds i m u l a t i o nb yc f ds u p p l i e sap o t e n t i a lt o o lt ou n d e r s t 趾dt h en e c e s s a r y d a t af o ro p e r a t i o n sa i l dm a k ef e a s i b l ep r e d i c t i o n st ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，锄dh e l l c ei t i sav e 叮i m p o r t a l l tt e c | l i l i q u et ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n so ff l u i d i z e db e d p u l s e df l u i d i z e db e d ( p f b ) i sav a r i a n to fn u i d i z e db e d ，w h e i ea na d d i t i o n a lg a s n o wi si n 仃o d u c e dt 0n u i d i z et h es o l i dm a t e r i a l s i th 猫b e e nr e p o n e dt h a tp f bc a n i m p r 0 v et h ep r o p e n i e so fn o w ，h e a t 趾dm a u s st r a n s f 打i hn u i d i z e db e d h o w e v t l l e c o m p l e xb e db e h a v i o ri sm o r ed i 瓶c u l tt os t u d y i l lt h i st h e s i se u l e r e u l e rm e t l l o dw e r e u s e dt 0n 啪甜c a l l ys i m u l a t et h et w o p h a s ef l o w si np f bw i t hd r a gm o d e l ，t u r b u l 髓c e m o d e l 跚ds oo n ，w h i c hh a v eb e p r o v r e l i a b l e a n du s e r - d e f i n e dm n c t i o n s ( l m f s ) w e r cp r o 黟舢e dt od e f i n et h ei n l e tp u l s e da i rn o wr a t e ，i n c l u d i n gt 1 1 ep u l s a t i n ga i rn o w m o d e s ，自e q u e n c y ，锄p l i t u d e ， e t c a c c o r d i n gt 0 t 1 1 e r e q u i r e m 锄t so fc o n v e r g 髓c e r e l a x a t i o nf l a c t o 璐，t i m es t 印，d i s c r e t i z a t i o na l l ds o l u t i o nm e m o d sw e r es u i t a b l yc h o s e n t h ep a u r a m e t e 璐o fn u i d i z e d b e dp r e s s u r cd r o pw a v e s ，g 嬲一l i dp h 嬲ed i s t r i b u t i o i l a n db u b b l e sm o v 锄e r nw e r er e c o r d e da r e rt h en u m e r i c a lr e s u l t sb e c o m cs t a l b l e t h e 陀l a t i o 璐h i pb e 铆e p r e s s u md r o pn u c t u a t i o n sa n dp u l s e 丘明u 锄c y 锄dw a v e t y p ew 嬲 o b t a i n e d ，飘dt l l ee 矗b c to fp u l s a t i n gg 嬲n o wo nt l l eb u b b l e sb e h a v i o 璐，跚c h 勰 g e r a t i 锄，g r o w i n g 叩，锄db r e a l 【i n gu p ，w 雒狮a l y z c d t h er e l a t i o n s t l i pb e m e 锄也e b u b b l eb e h a v i o 墙锄dm eb e dl l i g hw 觞锄a l y z e dt o o b e de x p 锄s i 叩鲫dn u c t u a t i o nr a t i o w e 陀咖d i c db 嬲e d t i l er e l a t i o n s h i pb e 研e e nb u b b l eb e h a v i o r 锄db e dh e i g h t a tl 鹤t ， t l l eg e n 盯a le f t so f p u l s a t i n gg 嬲f l o w t h en u i d i z e db e do p e r a t i o 邶w e 他o b t a j n e d n 啪嘶c a l 阳s u l t ss h o wt l l a tt l l e p u l s a t i n gg 硒n o wa d d e dc 锄i l l i t i a i i z eb e d n u i d i z a t i o na tl o wg 弱v e l o c i t y 锄dw i t ht h e p u l s a t i n gf l o wu n d 盯代s o n 锄c et ：h e n u i d i z e d - b e dq u a l i t yc 锄b ei m p r o v e d 锄dt h en j i b u i e n c eo fn u i d i z a t i i se i l l l 锄c c d t h e b u b b l e sd e f i n i t i o ni sr e 弱o n a b l e 锄dt l l e 他e x i s t s 锄u l s i o np h 弱eh l s i d em eb u b b l e b u b b l 髓i n t e m a l p r c s s u 糟c h 锄g e s 盯e m a i n l yi n f l u e n c e db yb e dh e i g h t ，b u b b l e g r o w i n g - u pr a t e ，锄di n t e 叩h 嬲ee x c h a n g e so fp a n i c l e s a c c o r d i n gt 0t i l ev e l o c i t yv e c t o r c o n t o i i ri tc 锄c l e 盯l ys e ep a n i c l ep h 弱ec i r c u l a t i o ni n s i d et h en u i d i z e d - b e dd u et 0t i l e b u b b l eb e h a v i o r ，鹪i sv a l u a b l et om n h e ru 1 1 d e r s t 锄dt h ee 疏c to f p u l s a t i n gg 勰f l o w 仰 b e df l u i d i z a t i o n k e yw o r d s ：c f d ， e u l e r e u l e rm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p u i s e dn u i d i z e db e d ， b u b b l e s ，p r e s s u r ed r o p 英文字符 符号 q p 口v q q m 默 4 彳， 6 c c 3 c d 符号表 物理意义 权重系数 气体相的体积分数 颗粒相的体积分数 颗粒的最大堆积率 床层横截面积 阿基米德数 计算单元的净增值 颗粒的脉动速度 湍流常数，取1 2 曳力系数 附加的质量系数，取o 5 湍流常数，取o 0 9 颗粒粒径 颗粒的直径 流化床的水力当量直径 颗粒相质量扩散系数 气相质量扩散系数 颗粒碰撞恢复系数 频率 流化床振动的n 模式频率 重力加速度 颗粒的径向分布函数 气相的湍动能产生率 床层高度 开始流化时的床层高度 单位张量 偏应力张量的第二不变量 曳力模型中气固两相之间的动量交换系数 湍流漩涡的特征尺寸 床层质量 振动模式 单位 无因次 无因次 无因次 无因次 m 2 无因次 无因次 桃 无因次 无因次 无因次 无因次 m m m o | s m 3 ，l 无因次 h z h z m s 2 无因次 无因次 m m 无因次 无因次 k s m k g 无因次 o 希腊字符 符号 口 y 世 一 毛 e 五 脉动周期数 入口空气压力 气粒两相共享的压力 颗粒相的固相压力 起伏比 膨胀比 摩尔气体常数 起始流化速度下的雷诺数 颗粒相的r e y n o l d s 数 气粒两相间的曳力 操作过程中的时间 温度 ：正比于气液两相的脉动速度 流化操作速度 脉动的稳定气流速度 脉动时的脉动气流速度 速度的变动幅度 平均速度 起始( 最小) 流化速度 漂浮速度 气相的速度矢量 颗粒相的速度矢量 气粒两相间的相对速度 均风室体积 物理意义 松弛因子 状态方程指数 颗粒之间碰撞所带来的能量耗散率 床层压降 起始流化时的空隙率 气相的湍流动能耗散率 平均颗粒速度与平均相对速度的夹角 各相的体积粘性系数 单位 无因次 无因次 无因次 p a 无因次 无因次 度 p a s 次 次次k 次次 稠n h h稠稠m稠稠n s k眺眺眺眺眺眺眺眺以眺眺ng 6 m ， 日 ， 肌p b q，足地一凡，丁易历一一w鼬一地一 气相湍流粘度 液相湍流粘度 各相的剪切粘性系数 剪切粘性系数中碰撞部分的粘性系数 动能部分的粘性系数 气相的湍流粘性 气相的粘度 液体密度 固体相的密度 气体相的密度 扩散中的p r 锄d t l 数，取o 7 5 脉动周期 各相的r e y n o l d s 应力张量 气体动力黏度 床层内颗粒的摩擦角度 求解变量 s s s s s s s 3 3 3 汐 孩 n n 习一 n s 围阶阶m附阶阶阶蜘龇蜘稠s懈觚度删 心所版以 所岛br=“九 天津科技大学硕士学位论文 1流态化技术及数值模拟方法介绍 1 1 流态化技术 流态化技术自从2 0 世纪4 0 年代问世以来，由于其具有高效的传热和传质效果 以及实现连续操作等优点，已越来越受到人们的重视。目前，流化床工艺已广泛的 应用于化工、石油、冶金、食品等许多工业领域之中，特别是气固流化床的应用尤 为广泛，许多化学反应都是依靠气固流化床来实现的。 对于流态化的基础理论研究开始于1 9 3 8 年，当时是为了开发催化裂解技术展开 的，迄今已有半个多世纪，关于流态化领域的研究也取得了长足的进步，人们对流 态化反应器系统的认识也从8 0 年代的平稳的线性系统，发展到9 0 年代末的非平稳、 非线性的混沌系统。运用傅立叶变换、小波分析、混沌理论、复杂性理论、分形理 论，对流化床中采集到的参数时间序列信号己进行了大量的研究。 随着流化床研究的不断深入，人们对气固流动的机理认识也不断加深。因此， 近年来多相流体力学理论及其应用快速的发展起来。目前应用最广泛的两个模型为 欧拉一欧拉拟流体模型和欧拉一拉格朗日离散相模型。但是受计算机资源的限制， 对于大规模的气固多相流模拟大多采用欧拉一欧拉拟流体模型。人们对均一粒径分 布的密相流化床已进行了大量的研究，但对双组分以上的流化系统的研究还不够充 分。另外，近年来多相流体力学模型在密相流化床方面的应用逐渐被重视起来，但 仍需要多方面的验证与发展。 气固流态化技术是化学工程领域的一个重要分支。流化床技术自从2 0 世纪2 0 年代以来，由于其所特有的优点，如高效的传热传质、均匀的温度场、颗粒的大处 理量、很宽的操作范围等，使其在许多工业领域中都得到广泛的应用，并且仍有非 常好的工业前景。流化床有诸多令人满意的运行特点，主要是因为床内良好的流体 动力特性，同时床的几何尺寸及内部构造也对两相流动起到了重要的作用，因此很 好地了解流体动力学特性对于正确设计流化床有着重要意义。迄今为止，众多研究 者建立了冷态、热态试验台，围绕着流化床两相流动、热传递和燃料燃烧行为进行 了大量的研究工作，同时建立了流态化数学模型。人们可以根据大量的试验数据来 了解流化床内基本的物理现象，特别是流态化机理，并在此基础上提出了众多的关 联式，而对于流化床的设计者来说，如何用一个统一的关联方法来设计和研究流化 床是非常必要的。随着计算机的快速发展，计算流体力学在多相流中的应用越来越 受到人们的关注，研究人员对这类反应器中多相流动过程己经进行了大量的实验和 模型研究。计算流体力学模型基于流场中质量、动量和能量守恒规律，建立反映气 固两相流动的基本流体力学方程组，加上与具体过程相关的反应过程，最终构成对 整个反应器的理论描述。经过实验检验的计算流体力学模型，有利于对反应器更详 细的了解，进而指导反应器的设计、优化操作和放大。 l 流态化技术及数值模拟方法介绍 1 1 1 气固流化床流化状态的判别 当气体通过分布板，由下而上的通过固体颗粒层时，随着流体流速的变化会出 现不同的现象，气体流速较低时，固体层中粒子静止不动，流体从粒子空隙间通过， 属于固定床的状态。当流速继续增加，床层空隙率将会增加，固体粒子开始浮游， 床层体积开始增大，处于膨胀床的状态。当气体流速达到某一限值，床层全部膨胀， 这时的压头损失相当于粒子的重量，流化开始。随着气速的不断增大，床内会呈现 不同的流化状态【l 】。各种流化状态如图1 1 ，由左至右随着流化速度的增加，流化床 内的孔隙率和流化状态不断变化，由最初的固定床最后转变为气力输送。 1 厂j 聚式流态化 图1 i 气固流态化中各种流体力学流型的特征示意图 f i g l 】帆l l 聊i c a ln o w s 仃u c t u 心i i it l l eg a s - s o l i dn u i d i 趵db c d 起始( 最小) 流化速度l 钿是指床层开始流化时的气体空床线速。当气体超过 起始流化速度床层发生搅动，气体鼓泡现象开始出现。开始产生气泡时的气速定义 为起始鼓泡速度。一般来说，在鼓泡流化状态下，流化床床层的压力脉动的幅值随 气速的增大而增大，但是试验发现，当气速增大到某一值时，床层中明显的气泡反 而消失，床层的压力脉动的幅值变小。y c ：n i l l s a l l i l i 和c n 犹u n 【2 】将压力脉动幅值达到 最大值时的气速称为起始湍流速度。当气速进一步增加，就达到快速流化状态。 这个状态下床内颗粒大量带出，只有加大补加量，直至补充以等同于该气速下颗粒 的饱和夹带量，床层才能保持稳定的流化状态。颗粒的带出速度是指某一粒径的颗 粒能被流体带走的最小速度，在此速度下，流体对颗粒的曳力等于颗粒的重量。这 一速度也相当于颗粒在无限流体中的自由沉降速度。因此颗粒的带出速度可用颗粒 在无限流体中所受的力导出。表1 1 为各个流化状态的判别方法。 2 天津科技大学硕? f ? 学位论文 表1 1 流化状态的判别方法 1 a b l el ld i s c r i m i n a n c eo ft r a n s f o r m a t i o no fg a s s o i i df l o ws t t l j c t u r e 流化状态判别方法 起始( 最小) 流化速度 起始鼓泡速度 起始湍流速度 快速流化速度 带出速度 p s u c 作图法 床层“崩落 法 压力脉动幅值作图法 李佑楚计算公式 白丁荣计算公式 计算公式 在实际操作中可以通过测定床层压降随气速变化的方法确定起始流化速度，或 成为最小流化速度。当气速较低时，床层为固定床，p 随空床呈直线上升。处于 膨胀床状态时，床层的空隙率随流速增加而加大。当p 增大到等于床层中粒子之 间的摩擦阻力，直到pm “值时粒子得到松动后压降又重新恢复p = 黜。在流 化阶段，流速继续增大而床层压降不变，这时所对应的流速即为起始流化速度u m f 。 当从流化状态逐渐降低气速，直到成为固定床，这时床层的空隙率将大于固定床层 原有的空隙率，床层的高度也会大于初始床高。 流化床压力降计算公式： 等- ( 1 一) ( 见一b ) ( 1 - 1 ) 其中。 p ：床层压降，p a o 日：床层高度，m ； ：起始流化时的空隙率； 幺、岛：固体、气体两相的密度，k g m 3 ； 在现场运行条件下，流化床内的固体颗粒总是存在一定的粒度分布，形状也各 不相同。在计算起始流化速度时，要采用平均当量直径和平均球形度。w h 和y u 【3 l 在大量实验数据的基础上得出最小流化速度的关联式： = 挚 ( 1 - 2 ) “， r c 厦，= ( 3 3 7 2 + o 0 4 0 8 彳，) 2 3 3 7( 1 3 ) 彳，= 掣嘭， ( 1 - 4 ) v ；p l r 其中： 甜_ ，：起始流化速度，毗； 3 l 流态化技术及数值模拟方法介绍 r e 。，：起始流化速度下的雷诺数； k ：气体动力黏度，m 2 s ： d 。：颗粒粒径，m ； 彳，：阿基米德数； 展、& ：颗粒、气体的密度，k g m 3 ； 实际上，即使粒子平均当量直径相等，如果粒度分布不同，流化特性也会有很 大的差异。要获得可靠的起始流化速度最好是通过实验测定。粒子带出速度是气流 的速度大于固体粒子在静止气流中的沉降速度时，粒子被流体带出的速度。它是流 化床流速的上限。带出速度可由下面的几个关联式得到： r 耶 q = 警乒g 叫妣，硎。州等】i ，3 t ”5 ) 5 0 0 r e ， u f 完全进入湍动 流态化。l l 1 j c 开始向湍动流态化过渡。 蔡平等【l 研究了压力脉动判据及流型过渡判别式。得出三个数字特征：f d 压力 脉动平均幅值；f p 时域上的不均匀度指数；f r 频域上的不均匀度指数。三个数字特征 的最大值均对应了相同的转变速度u 。 g e 珊和s 锄g 【1 2 】提出了流型转变的判断依据，鼓泡流态化湍流流态化分析 信号用数学工具；均值、脉动区间、标准差、主频、概率密度、偏斜度、平坦度等。 结果表明平均幅值、平坦度、标准差、9 0 脉动区间在流型转变处均有最低点。而 偏斜度则有最高点，与流型转变式r 乞削朋5 吻合较好。 阳永荣等1 1 3 】用压力探头、光导纤维探头考察湍动流态化的上下限，结果表明压 力脉动可以用来测定进入和脱离湍动流态化的流型过渡，分别对应于压力脉动最大 点和压力脉动趋于零。 1 1 4 脉动流态化技术 气固脉动流化床的研究及其应用始于2 0 世纪6 0 年代末，主要集中在美国、波 6 天津科技大学硕士学位论文 兰、前苏联和前西德等国家。研究集中在对脉动气流发生器的设计、脉动流化床空 气动力学特性【1 4 ，1 5 1 和传热特性的研究【1 6 - 1 7 18 1 。目前脉动流态化设备主要有：交错进 气式脉动流化床、旋转一脉动流化床、快开阀式脉动流化床、二位蝶阀式脉动流化 床、旋转阀式脉动流化床、电磁阀脉动流化床等。 前苏联的研究者对热敏性分散物料在脉动流化床中的干燥进行了实验研究，对 热敏性分散物料的干燥动力学特性进行了研究，同时研究了物料的运动特点。结果 发现，脉动气流的频率对干燥时间有明显的影响，当干燥粘性松散物料时，与固定 床干燥相比较，低频干燥( 脉动频率小于1 5 h z ) 时，干燥时间增加1 5 之o ，当 气流脉动频率为4 5 h z 时，干燥时间缩短【1 9 2 0 2 1 1 。 实验证明脉动流化床可以成功的应用于潮湿四环素的干燥，当用单一稳定气流 穿过潮湿的四环素床层进行干燥时，产生沟流，热空气利用率低。然而，当用脉动 气流进行干燥时，热质传递效果良好，不出现沟流现象，热空气得到较好的利用。 内部加热器表面与潮湿的四环素床层之间的传热系数随气体流量的增加而增大。两 种干燥方法对于四环素含水率降低的程度不同，证实了脉动床干燥的传热传质系数 的提高。例如，稳定气流干燥l 小时，含水率从4 0 降至3 3 ，而用脉动气流干燥， 同样是i 小时，含水率从4 0 降至l o 【2 2 1 。 前西德的研究者总结他们三年中对工业用脉动流化干燥机的研究结果，得出干 燥含水率2 5 的有机颗粒状物料最大批量可达l o 吨，加工对象的粒径的范围可以从 1 0 0um 到3 0 0 0um ，颗粒可以是多种不规则形状，颗粒密度范围从5 0 0 k 卧n 3 到 8 0 0 k 卧n 3 。操作过程中脉动开期间占脉动周期的l 3 ，脉动频率从o 4 h z 到1 2 h z ， 具体情况视其床层的厚度而定。气流脉动引入床层后引起一定量的膨胀，即使在深 床中这种脉动也能抑制沟流的形成，它的干燥时间是普通真空炉干燥时间的l 3 到 l 6 ，能耗则是原来的一半，并且物料的干燥效果更加均匀。 综上所述，由于脉动流化床具有以上特点，在处理大颗粒物料、难流化的粘性 物料及生物质物料时具有更好的效果。 1 2 流化床数值模拟方法简介 流化床的过程研究内容相当广泛，包括颗粒及气体的流动特性、床层的膨胀与 压降、气泡的行为和对流化过程的影响、流化床内的热质传递过程、气固非均相的 流化反应过程、床层结构对流态化的影响、颗粒的夹带与分离、颗粒的输送等【2 3 1 。 长期以来，众多研究者通过对流态化过程的实验和理论研究，取得了大量成果，对 流态化装置的设计和运行及流态化理论的发展起了很大的推动作用。但由于流态化 过程规律的复杂性，迄今为止尚未建立流态化过程系统完整的理论以便能对其进行 详细的描述，有关流态化现象的一些基本过程还只能依靠大量实验得出的经验或半 经验公式来进行描述。 要建立有关流态化过程较为系统完整的理论，必须要对流态化过程进行较为深 入全面的研究。尽管近年来非接触式的测量技术如激光多普勒测速仪( l 觞e rd o p p l e r 7 l 流态化技术及数值模拟方法介绍 v e l o c i m e t e r ，l d v ) 、颗粒动态分析仪( p a n i c l ed ”锄i ca m a l y z e r ，p d a ) 、颗粒成像测 速仪( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t e r p ) 、过程层析成像( p r o c e s st 0 m 0 2 r a p h y ，p t ) 及 快速信号处理技术有了很大的发展，为气固两相流动系统流动参数的瞬态、多维测 量提供了有效的手段，但目前这些测试手段对颗粒浓度很高且具有复杂流动结构的 稠密气固两相流的速度、固体颗粒浓度及压力等基本物理量仍然无法较为精确地测 量，从而阻碍了人们对流态化过程深入细致的认识。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，以动量、质量、能量和组分守恒基本方 程和数值计算方法为基础的计算机模拟在流态化过程研究中得到了广泛的应用。由 于计算机模拟能够对实验研究难以测量的一些过程和细节进行研究并且节省费用， 因此计算机模拟作为与理论分析和实验研究互补的一种重要方法对于我们深化了解 流态化过程的原理将会起到重要的作用。 流态化过程计算机模拟的关键是要建立正确的物理和数学模型。目前研究流态 化过程的模型大致可以分为两大类：基于欧拉法的颗粒相拟流体模型；基于拉格朗 日方法的颗粒轨道模型。下面将对这两类模型的主要特点作简单介绍。 1 2 1 颗粒相拟流体模型 在湍流两相流动的多流体即多连续介质模型中，颗粒又一次看成是欧拉坐标中 处理的拟流体。与无滑移和小滑移模型不同的是，多流体模型可以分别考虑大滑移 和颗粒扩散，其间无直接联系，并且能够充分考虑颗粒质量、动量及能量的扩散湍 流。 多流体模型的基本概念是认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体。实际上， 该模型只是一种模拟颗粒湍流脉动的方法，类似单相流动中所用的方法。 它的基本假设有【2 4 j ： ( 1 ) 在流场中的每一位置，颗粒相与气相共存并相互渗透，每一相具有各自的速 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( 尺寸相) 在空间中具有连续的速度、温度和容积分布： ( 3 ) 每一颗粒相，除与气相有质量、动量和能量相互作用外，还具有自身的湍流 脉动，造成颗粒的质量、动量及能量湍流输运，且颗粒脉动取决于对流、扩散、气 泡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( 相) ； ( 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。 近年来许多研究者把此模型应用于流化床的研究1 2 5 1 。由于双流体模型具有可方 便地得出分散相的浓度分布和计算量较小的特点，在气液鼓泡塔中得到了广泛的应 用。g u i 朋b e u g e u 和h o 劬锄【2 6 】利用双流体模型模拟了气液两相的轴向速度、气含 率及有效粘度的分布。模型中液相湍流模型利用了k - 双方程，而气相湍流粘度则 采用式( 1 7 ) 定义： 8 天津科技大学硕士学位论文 以2 岛箦乃2 ( 1 _ 7 ) 其中： 。：气相湍流粘度，p a s ； “：液相湍流粘度，p a s ； 岛：液体密度，k m ； ：为正比于气液两相的脉动速度。由于此值难以测定，文中使用了经验值， 当流体流速为8 c 州s 时，瓦= l ；当气体流速为2 c 州s 时，疋= 2 。在动量相互作用中 考虑了m a 髓u s 力，计算结果与实验数据吻合较好。 在气固流化床中，气固之间的密度相差很大，许多研究者通常把气体看成无有 效粘性或有效粘性为常数，忽略气固湍流特性。k u i p e 璐等人【27 】把两相的粘度看成 不变的常数，模拟了气泡的形成、上升和破碎，但过于理想化，产生了部分偏差。 g i d a s p o w 等人【2 8 】使用非线性热力学推导了模型方程，但方程中不含两相的粘性项和 颗粒相压力项，因此不适用于固体颗粒含量较高的流化床流动计算。t s u o 等人【2 9 】 利用双流体模型的模拟计算，考虑固体粒子粘度，并对循环流化床中环核结构流动 与粒子尺寸分布进行了分析，观察到了粒子束在循环流化床的存在。洪若瑜等人【删 使用较严格的体积平均法推导出描述气固两相宏观流动的模型方程，模拟了二维射 流流化床中浓密气固两相的流动。研究者还对气固流化床内的传热状况进行了探讨。 k u i p e 璐等人【3 1 】发现在气固流化床中传热强化的主要原因不是气相的湍流作用，而 主要是气体引起流化床壁面处粒子不断刷新的作用，此模型与粒子更新模型【3 2 1 、乳 化相模型都有所不同，给传热研究提供了不同的思路。“等人【3 3 】利用双流体模型对 有内置换热器的流化床燃烧进行了计算，证实了实验中观察到的现象，并认为数值 计算方法更灵活。以上模型的显著不足是在模型中没有考虑气体和粒子的湍流作用。 g 等人【3 4 】认为气相和粒子相的湍流都不能忽略，用k e k 两相流湍流模型模拟了 f c c 反应器中具有高粒子浓度的气固两相流流动，用k e 方程来模拟气相湍流，而 对于固相粒子的湍流流动则用l ( d 方程来模拟。 双流体模型虽然对流化床和鼓泡塔进行了较成功的模拟，但对于固相的处理还 包括大量经验性的部分。例如，对固体粒子( 或气泡) 粘度的处理都是用经验值或 经验关联式，而对固体粒子的碰撞和粒子间的相互作用力则没有考虑，为此目前有 许多研究者【3 5 】利用分子动力学理论来尝试模拟粒子间的相互作用和碰撞，取得了一 定的成果，但由于分子和粒子间的差异，这种方法还需要不断完善。以上模型都是 针对气液、气固两相，而对两相以上的气液固三相流流动，目前多数学者把固相看 作液相的一部分，利用双流体模型来描述。 双流体模型的优点是可以充分考虑颗粒相的不同湍流输运过程，气相和颗粒相 可以用统一的数值方法处理，可以获得颗粒相的详细信息与实验比较，无需花费过 多的计算存贮及c p u 时间。但此模型存在以下缺点【2 4 j ： 9 l 流态化技术及数值模拟方法介绍 ( 1 ) 将单相的封闭模型推广到两相流动的气相和颗粒相是否合适需要进一步研 究。对固体相控制方程的边界条件的确定也需要一定的经验和技巧； ( 2 ) 颗粒相有数值扩散； ( 3 ) 如何处理有蒸发、挥发和异相间反应的颗粒的经历效应这一问题尚待解决； ( 4 ) 采用双流体模型时，如何获得收敛、正确的结果仍然是一个非常有挑战性的 问题。表l 一2 对各种模型进行了简单的汇总。 表1 2 常用两相流模型 1 h b l el 一21 w o 巾h a s ef l o wm o d e l s 本文将利用商业f l u e n t6 3 软件对脉动鼓泡流化床中的气固两相流进行模拟， 由于鼓泡床属于稠密气固两相流，因此本文将选择多相流模型中的欧拉模型进行处 理。 1 2 2 颗粒轨道模型 与颗粒相拟流体模型不同，在颗粒轨道模型中，流体相仍然看作连续介质，固 体颗粒相则按离散体系处理。颗粒轨道模型在气固两相流研究中有着非常悠久的历 史，早期的颗粒轨道模型也称为单颗粒动力学模型，它不考虑固体颗粒之间及固体 颗粒对流体相的作用，只计算流体对离散固体颗粒的作用。由于上述假设，单颗粒 动力学模型只是在稀相即固体颗粒浓度较小的气固两相流模拟中近似适用，对流态 化过程这样的稠密气固两相流则无能为力。后来的研究者对单颗粒动力学模型进行 了改进使之能够充分考虑颗粒与流体之间的相互作用，并且也计及了与颗粒扩散无 关的、两相间的大速度滑移和温度滑移。目前，颗粒轨道模型是稀相气固两相流模 拟中最广泛应用的模型【2 4 脚7 1 。但该模型对于固体颗粒之间的相互作用仍未考虑( 对 确定性轨道模型) 或考虑不充分( 对随机轨道模型) ，另外，对于颗粒浓度较高的情 况，计算量较大且不容易获得收敛的结果，因而该种模型也不适于流态化过程的模 拟。 近年来，随着计算机计算能力的大幅度提高，属于颗粒轨道模型范畴的离散元 素方法( d i s c r e t ee l 锄e n tm e t l l o d ，d e m ) 在流态化模拟中取得了很大的成功。d e m 方法最早在1 9 7 9 年由c 蚰d a l l 等人提出并用于模拟地质学上的岩石运动规律【3 8 l 。 l o 天津科技大学硕士学位论文 t s u i i 等人在1 9 9 2 年首次将该方法应用于浓相水平管道气力输送研究中【3 9 】，随后又 将该模型与计算流体力学模型( c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c s ，c f d ) 相结合成功用于 流化床内气固两相流动过程的模拟中【4 0 1 。目前，d e m 已发展成为粉体系统和流体 颗粒系统模拟的一种非常重要的方法。澳大利亚m o n a s h 大学的m j r h o d e s 教授在 这方面做出了杰出贡献，r h o d e s 和w a n g1 4 i j 在脉动流化床模拟研究中的结果证明了 脉动流化床在节能及增强流化效果方面的优势。 d e m 处理离散颗粒相的思路是在拉格朗日坐标系中对系统的每一个颗粒的受 力和轨迹进行跟踪研究，颗粒之间的相互作用力根据有关模型直接确定，这样避免了 颗粒相拟流体模型中建立颗粒相输运系数本构方程及固体颗粒静压力表达式的困 难。对于颗粒与流体之间的相互作用，则与拟流体及一般颗粒轨道模型类似，采用 有关的经验关系式确定。由于d e m 同时考虑了颗粒之间及颗粒与流体间相互作用， 因此该模型非常适合于流化床这样的稠密气固两相流动。d e m 方法的关键是颗粒间 相互作用力的处理。按照所采用方法的不同，d e m 又分为软球方法( s o ns p h e r e ) 和硬球方法( h a r ds p h e r e ) 4 2 1 。软球方法认为颗粒在碰撞时会发生弹性变形，其变形大 小和相互作用力可根据碰撞力学和牛顿第二定律来确定。硬球方法则假定颗粒的碰 撞是刚性双体碰撞且碰撞过程是准瞬态的，根据颗粒碰撞过程的动量守恒来计算相 互作用力。与软球模拟相比，硬球模拟的优点是可以采用较大的时间步长，并且与 概率统计理论相结合可以处理由较多颗粒组成的流态化系统；其不足之处是它所采 用的双体及瞬间刚性碰撞使其无法给出固体颗粒间相互作用的具体细节并且在进一 步处理有关颗粒间传热问题时会遇到较多的困难。 d e m 与颗粒相拟流体模型相比，其不足之处是由于要跟踪系统中的每一个粒子 的受力和运动情况并且时间步长又受到限制，因此其计算量较大。目前，采用软球 方法的d e m 模拟，能模拟的系统最大颗粒数为几万个左右，这与工程中所采用的 实际流态化系统中的颗粒数目相差还较远并且在模拟时所消耗的机时非常大。事实 上，即使是一个很小的实际工业规模的颗粒系统。其中的颗粒数目也可能在数十万 以上。但由于d e m 模拟能够在颗粒水平上给出流态化系统动态变化过程的非常丰 富的受力和运动信息，因而d e m 可以用于研究流态化系统内部两相运动的微观机 理，以加深对实际工业系统的了解。 1 3 本文的研究内容 当前世界能源形势紧张，研究节能技术势在必行，脉动流态化技术在化工、燃 烧、干燥等多种工农业生产中有着很大优势，是新近提出的节能技术之一，对脉动 流态化的研究工作正处于蓬勃发展的阶段。模拟技术作为一种快速、获得数据完备、 具有模拟真实条件