（流体力学专业论文）导向管喷动床内气固流动的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 喷动床是一种适合于处理粗大颗粒物料的设备，结构简单，物料间的接触充 分，传热传质效率高，已广泛应用于物料干燥、造粒、脱硫煤的碳化和气化等领域。 研究者们为了突破料层高度的限制提出了喷动床的一种改进形式，即导向管喷动 床。掌握导向管喷动床内部流动机制对于设计与完善喷动床的结构是十分必要的。 本文在国内外各研究机构对喷动床的研究基础上，对自行设计的二维导向管 喷动床，采用p i v 技术与c f d 数值模拟相结合的方法对喷动床内部的气固两相流 动进行研究。本文的主要研究工作及研究成果主要包括： 首先，本文对喷动床的起源、工作原理与应用情况作了简要介绍，并系统阐 述了国内外各研究机构的学者对喷动床内流动特性及气固两相流动数学模型研究 的情况。 其次，本文对导向管喷动床内部固体相颗粒的受力情况进行了分析。建立了 基于双流体模型的二维导向管喷动床内整体的气固两相流动模型。 第三，本文简要介绍了计算流体力学方法。采用g a m b i t 对自行设计的二维导 向管喷动床内的计算区域进行网格划分，利用c f d 商用软件f l u e n t 对导向管喷 动床内的气固两相流场进行数值模拟，分析了导向管喷动床内的气相压力降分布、 气固两相速度分布、固相体积分数的分布情况。研究了进口气速、导向管喷动床 中导喷距、导向管直径与喷口直径之比d d i 对床内气固两相流动的影响。结果证 明：在保证稳定喷动的条件下，适当减小导向管直径可以获得较快的固相处理速 度从而减少总的能耗。适当增大导喷距可使环隙区气固接触更充分从而提高传热、 传质效率。 第四，简要介绍了p i v 技术测速原理及其系统组成，并采用p i v 对自行设计 的二维导向管喷动床导向管内颗粒相的流动情况进行测量。显示了导向管内颗粒 流动的瞬态情况，并分析了不同进口气速时导向管内颗粒运动的瞬时速度分布、 涡量分布及湍流特征等信息。结果证明：导向管内颗粒流的剧烈湍动以及局部出 现的大量涡加强了气固两相间的接触。 最后，通过将p i v 实验结果与数值模拟的部分结果进行对比，分析了实验结 果与数值模拟结果存在的异同点。提出了今后导向管喷动床内气固两相流动的研 究重点与趋势。 关键词：喷动床；导向管；气固两相流动；p i v 技术；数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p o u t e db e di s a ne f f i c i e n tr e a c t o rf o rh a n d l i n gt h ec o a r s eg r a i n s , t h es t r u c t u r eo f t h eb e di ss i m p l e ，t h em a t e r i e l sc o n t a c tm o r es u f f i c i e n t ，s ot h em a s sa n dh e a tt r a n s f e ri s m u c he f f i c i e n t n o ws p o u t e db e di sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s u c ha sd r y i n g 、p a r t i c l e m a k i n g 、d e s u l f u r i z a t i o n 、c a r b o n i z a t i o na n dg a s i f i c a t i o no fc o a la n ds oo n i no r d e rt o b r e a k t h r o u g ht h el i m i t a t i o no fm a t e r i e lh e i g h ti nt h eb e d ，r e s e a r c h e r sp r o p o s e da n i m p r o v e ds t r u c t u r e ，t h a ti ss p o u t e db e dw i t ha t u b e i ti sn e c e s s a r yt oc a t c ho nt h ef l o w f i e l di nt h eb e df o rd e s i g na n di m p r o v et h eb e ds t r u c t u r e o nt h eb a s i so fd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h ，t h ed i s s e r t a t i o na p p l i e sc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp t or e s e a r c ht h eg a s s o l i df l o wi n 血et w o d i m e n s i o n s p o u t e db e dd e s i g n e db yo u r s e l v e s ，a n dt h eg a s s o l i dt u r b u l e n c eb e h a v i o ri sa n a l y z e d t h er e s e a r c hw o r ka n dr e s u l to b t a i n e da r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h eo r i g 曲、w o r km e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no fs p o u t e db e da r e i n t r o d u c e d ，t h eg a s s o l i df l o wm a t h e m a t i c sm o d e lr e s e a r c hd e v e l o p m e n ti nt h es p o u t e d b e di se x p r e s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 。 s e c o n d l y ，t h ef o r c ee x c e e do ng r a i n si nt h eb e di sa n a l y z e da n dg a s s o l i dt w o p h a s ef l o wm a t h e m a t i c sm o d e lo fs p o u t e db e dw i t ha d r a f tt u b ei se s t a b l i s h e db e s e do n t w o f l o wm o d e l t h i r d l y , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm e t h o di si n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es o f t w a r e g a m b i t ”i su s e dt og r o wt h em e s hi nt h es p o u t e db e d t h ec o m p u t a t i o ni s c a r r i e do u tb yu s i n gt h ec f dc o m m e r c i a ls o f tw a r ef l u e n t 6 2 a sar e s u l t ，t h e p r e s s u r e 、v e l o c i t yo fa i ra n dg r a i n s 、a n dv o l u m ef r a c t i o no fg r a i n sa r eo b t a i n e d i n a d d i t i o n ，v e l o c i t yo fi n l e ta i r 、p r o p o r t i o nb e t w e e ni n l e td i a m e t e ra n dd r a f tt u b e d i a m e t e r ( d d 0 、v e r t i c a ld i s t a n c eb e t w e e ni n l e ta n dd r a f ti m p a c to nt h eg a s s o l i df l o w b e h a v i o ri nt h es p o u t e db e dw i t l la 出a f tt u b e t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h eg r a i n s c a nb eh a n d l e dm o r eq u i c k l ya n de n e r g ye x h a u s t i n gc a nb ed e c r e a s e db yr e d u c i n gt h e d i a m e t e ro fd r a f tt u b e t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc a nb es 订e n g t h e n e db y e n l a r g i n gt h e d i s t a n c ef r o mt h ed r a f tt u b et ot h ei n i e t f o u a h l y ，p i vt h e o r ya n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o ni si n t r o d u c e d t h eg r a i nf l o wi nt h e t u b eo ft w o d i m e n s i o ns p o u t e db e di sm e a s u r e db yu s i n gp s y s t e m a sar e s u l t t h e 鲥nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 、v o r t i c i t yd i s l r i b u t i o na n dt u r b u l e n c ei n f o r m a t i o na r eo b t a i n e d i t i so b t a i n e dt h a tt h ei n t e n s et u r b u l e n c eo fg r a i n sf l o wa n dt h e v o r t i c i t yi nl o c a l s s 臼e n g t h e n e dc o n t a c ti n t e r a c t i o nb e t w e e ng a sa n ds o l i dp h a s e 江苏大学硕士学位论文 l a s t l y , t h er e s u l tf r o me x p r i m e n ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ni sc o m p a r e d ，t h er e s u l t f r o me x p r i m e n tq u a l i t a t i v e l ya c c o r d sw i mt h es i m u l a t i o nr e s u l t t h ei m p o r t a n ti s s u ea n d t h et e n d e n c yi nt h ef u t u r eg a s s o l i df l o wr e s e a r c hw o r ko fs p o u t e db e dw i t had r a f tt u b e a r e ( 1 e c l a r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s p o u t e db e d ；d r a f = tt u b e ；g a s s o l i df l o w ；p ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 江苏大学硕士学位论文 口运动学理论模型常数 巳一阻力系数 c d s - - s t o k e s 阻力系数 g 一升力系数 d 一扩散系数 d ，一喷动床床身直径，m m d i 喷口直径，m d _ 导向管直径，1 1 1 1 1 1 d - 颗粒粒径，r n n l d 一导喷距，r a i n e 一颗粒间碰撞恢复系数 ，体积力，n f - - b a s s e t 加速度力，n 乃广义相间阻力，n 一附加质量力，n m a 驴u s 力，n f l - - s a f f i n a n 升力，n 一相间作用力，r i d s g 重力加速度，r i d s 2 粕径向分布函数 h 0 一最大喷动床高，n l n l h 床层高度，m m h 一焓，j k g ，- j 岢流强度 k s 依赖于加速度的模数 k g 一气体导热系数 主要符号 i v 尼一湍动能，k g ，m v s ： m 。一蒸汽颗粒的相对分子质量 r h 。质量流率，k g s p 。r 一喷动床最大压力降，p a p s _ 一喷动压力降，p a p 一压力，p a p s 一固体压力，p a q 一热流率，j 8 r 。一无因次半径 毛气体温度，k l 颗粒温度，k 丁一蒸汽薄膜平均温度，k r 一颗粒加速时间，s p t 一时间，s u 一绝对速度，m s 驴一速度矢量，m s u l i l i ，i _ 一最小喷动速度，r i d s 材速度在x 方向分量，m s 玎平均速度，m s ”一脉动速度，m s y 。一颗粒相对表观速度， v 一速度在y 方向分量，m s z 。一无因次高度 硝坐标 y 一纵坐标 口一体积分数 江苏大学硕士学位论文 p 密度，k g m 3 o - 应力张量，p a 口气固曳力系数 r e 一雷诺数 “一动力粘度，p a s “一湍流粘度，p a s 版一气体有效粘度，p a s 以一气体分子粘度，p a s 下标 a 一环隙区 r x 一径向分量 z ，y 一轴向分量 p 一颗粒 v 加m 颗粒摩擦粘度，p a s 以一颗粒体积粘度，p a s 。一颗粒湍动粘性系数，p a - s 心。颐粒动力粘度，p a s 颗粒旋转角速度，m d s s 耗散率，m v s r - 义的扩散系数 y 一非弹性碰撞耗散k ( m s 3 ) x 一水平方向分量 y 一竖直方向分量 g 一气相 s 一固相 i 一某一相 。一各因变物理量 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密“ 学位论文作者签名：趣槲白 渺6 年6 月5 日 ，j 一 1 指导教师签名：了曲乏乞 扣兀年厶月r 日 独创性声明 y 1 0 1 3 8 6 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：匙击新 日期：一6 年f 月j 日 江苏大学硕士学位论文 1 1前言 第一章绪论 11 1 喷动床技术及其发展 喷动床( s p o u t e db e d ) 作为流态化技术的一个分支始于2 0 世纪5 0 年代初期的 加拿大。生产的小麦等大批农作物经常由于湿度过高而霉烂变质，加拿大国家自然 研究院( n a t u r a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 的g i s h e rpe 与m a t h u rkb 利用流化床传热效率 高、温度分布均匀等优点设计出了喷动床，并且针对喷动床内气体、固体流动形 态，颗粒尺寸及尺寸分布等因素对喷动现象的 影响做了一系列基础研究。喷动床是对传统流 化床的革新和改造，不仅克服了粗大颗粒不易 流化的困难，而且在干燥热敏性物料方面较流 化床有明显的优势，具有结构简单、处理量大、 操作方便等优点，喷动床的基本结构如图1 1 所示。 自从喷动床出现以来，越来越多的国家与 f i 9 1 1 研究机构参与了该项技术的研究并取得了很大 图1 1 喷动床结构 t h es t r u c t u r eo fs p o u t e d b e d 的进展，由此深化了对喷动床内气固流动机理的理解，至今喷动床技术仍然是国 内外研究的热点。目前从事喷动床技术研究的主要国家有：英国、日本、西班牙、 阿根廷、巴西、土耳其等，这些国家的学者发表了很多喷动床研究或应用的论文。 国内，清华大学、江苏大学、天津大学、四川大学、东南大学，沈阳化工学院等 l o 多所高校和科研单位对喷动床技术作了比较深入的研究并且发表了相关的论 文。尽管全世界对喷动床的研究很多，并且已经有多种结构形式，但是大规模的 工业应用比较少见。“”1 1 1 2 喷动床的工作原理 典型喷动床主要是由圆柱体，底部倒锥及喷口三大部分组成。气体由喷口垂 直向上射入并形成射流，当气体速度足够高时，将穿透颗粒床层并在床层内产生 一个近似圆柱形的通道称为喷动区( s p o u t ) 。当颗粒再升至高过床层表面某一高度 时，颗粒便会像喷泉一样因重力而回落到四周，形成喷泉区( f o u n t a i n ) ，颗粒缓慢 江苏大学硕士学位论文 向下移动，进入密相环隙区( a n n u l u s ) 。物料在环隙区缓慢向下运动直至倒锥形底 部，最后又进入喷口附近被气流重新夹带向上运动，床内物料形成了周期性有规 律的循环运动。这种循环运动不仅引起气流夹带颗粒，而且加强了气流与固体颗 粒间的传热、传质【1 一。 1 1 3 喷动床的应用 尽管喷动床是一种处理小麦等粗大窄筛分颗粒( 粒径d p l 1 0 m m ) 的流态化 技术，但随着对该技术研究的逐渐深入，其应用领域不断拓展，目前已被试验应用 于以下方面 1 电，4 - 6 8 ，1 12 ： 1 ) 干燥方面：固体颗粒、悬浮液、溶液与膏状物料的干燥； 2 ) 涂层、包衣方面：块状、颗粒物料的表面涂层，种子包衣，核燃料包覆； 3 ) 粉碎，反应造粒； 4 ) 煤燃烧和气化； 5 ) 铁矿石还原，焦炭活化，石油热裂解等； 6 ) 废橡胶低温热解； 7 ) 烟气脱硫； 8 ) 固态物料混合、加热、冷却。 1 2 喷动床操作参数及物料运动规律 1 2 1 喷动床操作参数 喷动床工作时有一定的操作范围，只有在一定范围的气速条件下才能形成稳 定的喷动，以下参数描述了工作时喷动床内的气固流动行为。 ( 1 ) 压力降a p 。与最大压力降a p 。：稳定喷动时的压力降a p 。决定了风机的压 头，该参数在工业生产中很重要。a p 。由喷动区内固体物料被气流夹带两相顺流 向上，环隙区内物料向下与气流向上的逆流而产生，总的压力降可以通过沿高度 方向积分求得，最大压力降a p 。是使床层物料松动并开始喷动时所需要的压力降， 该压力降远远大于正常喷动条件下床层所需的操作压降a p 。【1 3 】。 ( 2 ) 最大喷动床高h 。：当起始静止床层高于某一临界高度时，无论如何调节 气速都无法出现喷动现象，而是直接形成鼓泡床或腾涌床，这一i 临界静止床层高 度就是最大喷动床高h 0 ，它是设计喷动床的一个重要参数，直接关系着喷动床所 能处理的最大物料量【1 3 】。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 最小喷动速度u m i 。：在不同的起始床高下做实验，通过从喷动状态逐渐降 低进口气流速度直至喷动区塌陷而得到的各个起始床高下最小喷动速度u m h 称为 最小喷动速度u m i 。，经过研究发现，它不仅与物料和气体的特性有关，还与喷动床 的几何尺寸和结构有关。对于圆柱形床身，u m m 随着物料层高度h 增加及床身直径 d 。减小而增大 1 3 1 。 1 2 2 物料运动规律 1 2 2 1 喷动区物料运动 喷动区内物料垂直向上运动，喷动区颗粒速 度分布如图1 2 。颗粒的加速度来自于上升气流 的动力，而沉降速度主要是由重力引起的。任何 床层高度下喷动区内颗粒速度沿径向具有明显 差别，且速度分布均呈抛物线。 1 2 2 1 环隙区物料运动 此区内颗粒存在着垂直向下与向着喷动区 方向的径向运动。其运动规律为： 距轴线距离r ( c m ) z ，l - 2 _ 5 3 叶已 4 - 1 0 2 s - 1 32 图1 2 喷动区颗粒速度分布 f i g 1 2 g r a i nv e l o c i 锣i nt h es p o u t ( 1 ) 靠侧壁的物料下降速度仅略大于其它部分的下降速度，因而可用它近似 代表颗粒平均下降速度； ( 2 ) 由于物料具有向着喷动区的横向速度，因而在圆柱部分物料下降速度减 小，试验表明，物料横向流动量近似为常数； ( 3 ) 增加床层高度会同时增加物料循环量和物料横向流量： ( 4 ) 床层高度固定，增加气流量会同时增加物料循环量和横向流动量； ( 5 ) 气流量固定，增加进气口直径，只会增加物料横向流动量，对于循环量 影响甚微。 1 3 喷动床的优缺点及结构改进 1 3 1 喷动床的优点 喷动床与传统流化床相比具有如下的优点 1 】：其流动相对简单，有规律。 操作压降比流化床低。对粗颗粒，其气固接触效率优于流化床。造粒时 可以得到具有高强度和高球形度的粒状产品。可采用比正常许可温度高的气体 从而方便地处理热敏性物料。结构简单，占用空间少。 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 喷动床的缺点 但是在喷动床的研究过程中，发现喷动床存在如下局限【1 , 3 “1 1 , 1 3 。1 5 ： 1 ) 操作所需气流量由喷动要求而不是由传热性质要求确定的，首先需要满足 物料在气流作用下喷动起来的条件，其所需风量往往大于稳定喷动条件下需要的 风量，这样就造成能源的浪费。 2 ) 尺寸受限，难于大型化，颗粒物料直径和喷口直径有比例要求，喷口直径 和床体直径也有比例要求。 3 ) 装料高度有限制。 1 3 3 喷动床结构的改进 在喷动床技术发展过程中，各国的研究者们针对喷动床的上述缺点，分别通 过改变喷口结构、床身结构、喷动区与环隙区形态等办法提出了各种改进型的喷 动床。主要有：多喷头喷动床m ，旋转喷口喷动床16 1 ，导向管喷动床，旋转导 向管喷动床嘲，喷动流化床【1 7 】，射流喷动床 1 8 ，旋转射流式喷动床【5 ，长槽式喷 动床【1 9 】，半喷动床刚，锥形喷动床 2 1 - 2 2 1 等等。 1 4 导向管喷动床内部流动特性 1 4 1 导向管喷动床的结构 在传统喷动床结构的基础上插入一根与床身同轴线的引导管就形成了导向管 喷动床，见如图1 3 。正常喷动时，整个床层表 现为稀相喷动区，密相环隙区，喷泉区的三区 流动结构。此时，大部分空气进入导向管，物 料循环所需气体量与压力降明显减小，作业的 稳定性提高；同时物料的循环量减小，喷动区 与环隙区物料混合作用降低。随着研究的深入， 出现了插入式、直管式、复合式、渗透管式等 形式的导向管【 】。 1 4 2 导向管喷动床的气固流动形态 l 进气 卜- 喷泉区2 一环融区 3 一啧动区4 一寻问臂 图1 - 3 导向管喷动床 f i g 1 3s p o u t e d b e d w i t h d r a f t t u b e 罗宝林吲等通过实验分别考察了喷口为圆形和矩形的二维导向管喷动床内的 流动特征。实验表明，在气流速度较低时，床层为固定床，随着进口气速的增加， 当气速达到颗粒的最小喷动速度时，气体卷吸周围颗粒并将其带入导向管中形成 4 江苏大学硕士学位论文 喷动，而环隙区的气流速度低于颗粒的最小喷动速度，颗粒则以移动床的方式向 下移动，形成喷动区向上的气固并流、环隙区颗粒向下气体向上的气固逆流的循 环流动形态。 1 4 3 导向管喷动床内流动参数特性 最小导向喷动速度、导向喷动压降和颗粒循环速率等参数与导向管喷动床运 行特性密切相关，许多研究者经过对这些重要参数的研究，取得了很大的进展。 ( 1 ) 最小导向喷动速度 最小导向喷动速度是导向管喷动床设计和操作的一个关键参数。经过大量研 究发现：导向管的引入使得更多气体直接进入喷动区，所以导向管喷动床的最小 喷动速度比传统喷动床小得多。王国胜 i5 】等人通过分析实验数据得出，最小喷动 速度不仅与床内物料特性有关，还与床内起始静床层高度、喷动床的几何结构等 因素有关。 ( 2 ) 导向喷动压降a p 。 导向喷动压降是导向管喷动床稳定喷动时的操作压降。罗宝林吲研究了导向 管喷动床内压降变化：在固定床阶段，压降随表观气速的增加而增大；当压降达 到最大值后，继续增大气速，压降随之降低，逐渐形成一个稳定的稀相喷动区， 最终形成稳定喷动，此时床内压降即为导向喷动压降p 。王国胜等【1 5 1 根据实验结 果得到了最大压力降p m 与导向喷动压降p 。的经验关系，床层压降与床层几何 结构，颗粒物性和操作条件都有关。 李保国【1 4 在实验中得出，导向管喷动床稳定喷动时，如果继续增加风速将使 喷泉高度有所增加，同时床内压降也有所增加。 ( 3 ) 固体循环速率 固体循环速率直接反映了颗粒的在床内的物料循环流动特征。w e n c h i n g y a n g 等f 2 4 1 通过研究认为固体循环速率随喷动气速的增大而增大。李宝霞瞄捷出了双阀控 制理论模型，即通过导向管与底部圆锥壁间隙的固体量与导向管底部入口气体输送 的固体量相等。 ( 4 ) 喷口直径对喷动特性的影响 李保国掣1 4 】经研究提出喷口直径d i 与最大压力降p m 星抛物线规律变化，与 u m i l l 则为线性关系，他认为这是因为只有当导向管中气流速度达到一定值时，才能 带动导向管喷动床内的物料形成喷动状态；当d i 较小时，气流通过喷口的动量较 江苏大学硕士学位论文 大使颗粒易穿过导向管底部与喷口间隙进入导向管形成喷动，流向环隙区的气流 量相对较少，因此u m m 较小，但由于d i 较小，造成最大压力降p 。较大：相反， d i 较大时，流向环隙区的风量增大，形成喷动时所需风量大，即p 。及u m i n 均较 大。 ( 5 ) 导喷距d 对喷动特性的影响 导喷距d 为导向管底端离喷口的距离，参数d 对导向管喷动床内的气固流动有 很大的影响。李保国 1 4 】研究了导喷距对喷动特性的影响，发现随着导喷距增大p m 与u l l l n 均线性增加；当导喷距较小时，喷动所需压力降小，u m i 。也较小，但导喷距 过小时，气流大部分直接进入喷动区，进入环隙区的气流量很少，将影响物料循环 次数和处理速度；导喷距过大时通过环隙区的气流量增大，有利于提高环隙区的传 热、传质效率，但风机能耗相应增大。 ( 6 ) 静床高h 对喷动特性的影响 李保国【1 4 1 认为料层厚度几乎不影响喷动状态，因此导向管喷动床可以通过增大 床高来提高生产效率，正好克服了传统喷动床床身高度受限制的局限。 1 5 导向管喷动床流动模型研究进展 导向管喷动床内的气固流动行为对于床内气固两相间的传热、传质或反应速 率都起着关键的作用，正确理解床内气固两相流动机制并建立精确的数学模型将 为导向管喷动床的结构设计提供可靠的理论依据。自从喷动床出现以来，一直有 人在探索导向管喷动床内气固两相流动行为，经过三十年的发展，导向管喷动床 内气固流动数学模型的研究取得了很大的进展。 1 5 1喷动区气固流动模型 以往喷动区气固流动模型主要有两类【2 6 l ：基于喷动区气固两相质量和动量 守恒方程求解空隙率、颗粒和气体速度轴向分布的方法。l e f r o y 等人提出了喷动 区的数学模型【2 7 】；e p s t e i n 等提出基于颗粒受力分析的质量与动量守恒方程 2 8 1 。 马兰【2 9 】对超细粉在导向管喷动床中的流动模型进行了研究并且提出了喷动区气相 与固相的一维流动模型，在隔离段考虑到环隙区与喷动区间无物质交换、颗粒稳 态流动，进一步将质量与动量守恒方程简化而得到了相应的模型方程：同时考虑 到在稳定流动的情况下，由于喷动区空隙率很大，可忽略床内压差对颗粒相的影 响。陆慧林等人【3 0 】采用气固两相流体动力学理论研究了喷动区颗粒的受力情况， 江苏大学硕士学位论文 应用弹性模量来考虑颗粒与颗粒碰撞引起的颗粒相压力，颗粒间非弹性碰撞作用 力p c o l l i s i o n 可表示为颗粒弹性模量【3 1 】： g ( a g ) 2 识o i s i 。a a g ( 1 1 ) k r z y w a n s k i 3 羽等人提出t - - 维模型来描述喷动床中气体与颗粒流动行为，气 固间曳力系数采用普适性的w e n - y u 方程模型。颜涌捷口3 】等在研究导向管喷动流 化床内颗粒停留特性实验基础上提出了颗粒在喷动床喷动区内停留时间的数学模 型。 1 5 2 环隙区内气固流动模型 1 5 2 1 环隙区内气体流动模型 在环隙区内，气流从颗粒空隙间上升，可以应用基于渗流理论的d a r c y 公式 或者e r g u n 方程来描述气相流动。 m 锄u m h a t t o r i 3 4 模型是最早预测环隙区内气体流动的模型，在d a r c y 定理基 础上，对环隙区内微元进行受力分析，并且忽略轴向的剪切应力，该模型仅适用 于床体为柱体、操作床高为h 。时的情况，后来c r r a b a v c i c 与r o v e r o 等人分别对模型 进行了修正，考虑了操作床高小于h 。时底部倒锥的情况【3 5 , 3 6 。e p s t e i n ”1 等人采用 e r g u n 方程来建立模型，在喷动床压降预测上比较精确。l i t t m a n 3 8 - 与d a y 蚓提出了 基于欧根方程的矢量形式的二维气流轴对称流动模型，结果发现该模型比较理想。 1 5 2 2 环隙区内颗粒流动模型 环隙区内的密相颗粒在重力作用下缓慢下落，颗粒间的相互作用占主导，该区 域的流动看作符合c o u l o m b 屈服的准静态颗粒流，模拟该类问题通常采用以下方 法：【4 蛐1 l a g r a n g i a n 离散元直接模拟法至今为止尚不成熟并且有较大误差； 基于颗粒动力学理论的e u l e r 法中引入了颗粒温度的概念，它只适用于碰撞力控制 的高速剪变流动；以料仓研究为基础的颗粒流简化理论，通过连续性方程和经 过简化处理的速度经验公式相结合就可以求得速度分布，这样可以避免动量方程 的耦合，平底床中求得的简化解并没在锥底喷动床中得到实验的验证。环隙区颗 粒流简化的数学模型通常采用基于运动学理论、势流理论、塑性理论的简化方法 来建立该模型。运动学理论假设颗粒径向流动是由于轴向速度的径向梯度所造成 的空位，其速度分布的模型方程为【4 2 l ： 磁：= 一b a y ：, ：勿。 ( 1 2 ) 7 江苏大学硕士学位论文 其中式中b = 2 n d p d 这是一个典型的抛物型初值问题，所以无需补充额外的边界条件就能求解：采用 势流理论简化时假设颗粒流动满足拉普拉斯方程： a p 乏扩一a 吆：e e = o ( 1 3 ) 此时在h 处无因次速度曙：沿径向均匀分布【4 2 】；而塑性理论的简化中运用传统的塑 性理论只能得到应力场而无法得到速度场，所以必须补充一个大主应变和第1 主 应力方向关系的本构方程阳 。结果表明运动学理论与势流理论所得的解较为稳定， 而采用塑性理论模型求得的解非常差，在柱锥结合与床表面处基于势流理论的模 型的预测结果要优于运动学理论，而在中间位置则不如运动学理论的模型，塑性理 论模型中由于的本构方程还没有完善，根据气体流动与颗粒流动研究现状颗粒流 动量方程可表示为： 删蠢。) 击= 庞+ 躬男+ 吲忿+ 石b k 一 l ；。) ( 1 4 ) 为了使模型完善，需要加强颗粒应力的本构方程与气流对颗粒流模拟影响的研究 】。姚强等人在国外学者研究的基础上对以上几个理论做了分析后发展了锥形 喷动床环隙区固体颗粒的简化模型，重点考虑了喷动一环隙区外部边界条件，将颗 粒流模型与喷动区固体循环率计算模型结合预测了速度场的绝对解，预测结果与 实验值比较吻合。 1 5 3 导向管喷动床内气固两相整体流动模型 上述研究者提出的喷动床内气固流动分区模型使人们对喷动床内两相流动情 况有了深入的了解，但由于喷动区一环隙区界面处流动参数难以确定，给求解带 来了困难。一些学者对喷动床的整体气固流动模型进行了尝试。k r z y w a n s k i t 3 2 1 采 用喷动区双流体模型、环隙区内气相矢量e r g u n 方程和颗粒相简化塑性模型相结合 的统一形式对喷动床内气固两相流动进行了整体研究。k a w a g u e h i t 删在研究中将欧 拉法与拉格朗日法结合起来对两个区的颗粒流统一采用d e m 方法求解颗粒运动方 程，环隙区与喷动区气流场分别由与稠相、稀相流动对应的气体守恒方程求解， 但是误差较大。l uh u i l i n e 4 习对经典双流体模型同时应用于喷动区和环隙区的气固 流动模拟进行了尝试。 此外，赵香龙等j 6 分别将喷动床的等温一维轴向模型、等温流管模型、非等温 一维轴向模型、非等温流管模型、气固流动一反应耦合模型等进行了分析比较，并且 江苏大学硕士学位论文 提出建立流动与反应过程的直接数值模拟是今后研究的发展趋势。 1 6 本课题研究的主要内容与研究方法 本文主要通过数值模拟与实验相结合的方法研究导向管喷动床内气固两相流 动，并将计算结果与实验结果进行对比，得出相应的结论。 1 6 1 喷动床内的数值模拟 在总结前人研究的基础上，采用双流体模型建立二维导向管喷动床内气固两 相流动的整体模型。喷动床内气固流动属于非常复杂的流动，难以求出相应数学 模型的解析解，c f d 方法可以很好地解决这一问题。本课题利用现行的c f d 商用 软件f l u e n t 6 2 ，采用e u l a r 多相流模型对导向管喷动床内气固两相流动进行数值 模拟研究，分别在进口气速、导向管与喷口直径比、导喷距等参数变化的条件下， 研究这些参数对导向管喷动床内气相压力、气固两相速度、固相体积分数分布的 影响。 1 6 2 喷动床内实验研究 以往的研究多借助于接触式的探测器进行床内颗粒流动的实验研究，仪器的 探测头难免会对流场产生干扰而造成相应的测量误差。另外，这些实验研究方法 也无法获得颗粒流动的瞬态信息。本课题引入p i v 这一可以获得流场内瞬态信息且 具有高分辨率的测量手段来研究导向管喷动床内颗粒的流动情况。实验中，围绕 进口气速对流场所产生的影响，从颗粒流场的速度分布、涡量分布和湍流结构等 方面对喷动床导向管内物料运动进行分析。另外，通过跟踪固体粒子的方法测量 了颗粒在环隙区的运动情况。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章导向管喷动床内气固两相流动及数学模型 许多工业领域都涉及到气体与固体颗粒的流动情况，喷动床内的流动就属于 气固流动系统。虽然已对它们展开了深入广泛的研究，但是大部分的研究是经验 性的。对气固两相流动的研究已经成为多相流体力学研究的热点。 2 1导向管喷动床内颗粒系统的特性 2 1 1 颗粒系统流动状态 气固流动系统中颗粒的物理情况非常复杂，所以必须把颗粒系统分为若干情 况，对每种情况采用一种合适的方法来处理。固体颗粒与气体混合流动主要有以 下几种情况：( 1 ) 多孔介质情况，较小速度的气体在压强梯度作用下通过填的很 紧的固体颗粒而不使固体颗粒被扰动，这属于固定床阶段。( 2 ) 随着气流速度的 增加，与气体一起流动的颗粒数目增加，属于沉积阶段。( 3 ) 当气体速度达到某 一临界值以后，固体颗粒的特性突然变为具有流体性质的特点，此时处于流态化 阶段。( 4 ) 汹涌流情况，如果气体速度进一步增加，将会引起混合物的不规则流 动，气体将以鼓泡形式通过填紧的固体颗粒上升或破裂，引起大量固体颗粒的涌 动，气体将带走越来越多的颗粒。( 5 ) 固体颗粒与气体混合的两相流动情况，当 气体速度继续增大，固体颗粒在流场里与气体完全混合，这种情况统称为固体颗 粒与气体混合的两相流动。 喷动床内部的流动中，喷动区就属于以上所述的固体与气体混合的两相流动 情况，所以我们可以采用两种流体混合的理论来研究它；而在环隙区内，气流速 度比较小，不足以使颗粒跟随气体运动，属于多孔介质的流动情况。 2 12 颗粒的形状与尺寸特性 2 1 2 1 颗粒的形状特性 在气固两相流动中，颗粒的形状对气固两相间的作用力有影响，从而影响气 固流动的情况。由长福【4 7 1 等人通过数值计算的方法通过对三种具有典型几何特 征的颗粒( 正方体、圆柱体和圆台体) 进行计算，考察了不同球形度条件下颗粒的 受力情况，并且发现颗粒非球形因素与来流相对位置等条件对颗粒受气体流动所 产生曳力的影响很大。 江苏大学硕士学住论文 2 1 2 2 颗粒的尺寸特性 实际研究中为了便于计算，通常采用“当量球”来描述非球形颗粒，对于不 同的问题采用不同方法来计算“当量球”尺寸。主要是基于颗粒体积和表面积的 方法。 基于体积的当量球半径为： r 3 v 、0 5 _ 2 l 石j 基于表面积的当量球半径为： rsr 2 l 石j 此处v 与s 分别为非球形颗粒的体积和表面积 2 1 3 导向管内气固两相中颗粒的受力分析 导向管内气固两相流动中，颗粒上所受的力比较复杂，主要可以分为三大类， 下面分别对这三类作用力进行分析。 2 1 3 1 不依赖于两相相对流动的力 即使两相间没有相对运动，颗粒上也受有这一类作用力，如惯性力、重力和 压差力等，它们的公式如下【4 8 1 ： 债蜘一i 1 石巳等 ( 2 1 1 ) 重力2 吉丌砟g ( 2 1 2 ) 压差力= 一扣p 3 。p 鱼d x ( i = 1 ，2 ，3 ) ( 2 _ 1 3 ) 2 1 3 2 纵向力 ( 1 ) 阻力：这一类作用力依赖于流体与颗粒的相对运动，其方向沿着相对运 动的方向，有阻力、附加质量力、b a s s e t 加速度力等，统称为广义相间阻力。阻力 的一般表达式为【4 8 1 ： 乃2 吉万c d bj 一j ( 一) ( 2 1 - 4 ) 对于阻力系数c d ，理论上推导出的计算公式主要有s t o k e s 定律和o s e e n 公式： 江苏大学硕士学位论文 s t o k e s 定律阻力系数：c r d 2 篙( r e 1 ) o s e e n 公式阻力徽c d - - 芸( 1 + 素r e ( r e 5 ) 但由于颗粒表面的复杂性，所以从方程组导出的计算式只适用于极少数情况，目 前主要依靠实验来确定。后来经过大量试验得到了标准阻力曲线，一般认为当雷 诺数r - e o 2 时采用s t o k e s 定律，对于0 2 r e 。 8 0 0 的情况，可以采用以下公式： c d2 篙( 1 + 0 1 5 醋6 ”) 但是标准阻力曲线是球形颗粒在静止、等温和不可压流体中做匀速运动条件下实 验测得的，但是喷动床内气体的湍流流动与颗粒非球形等因素对阻力系数有很大 的影响。要较为准确的反映出颗粒在流体中实际运动时所受的阻力，还必须考虑 以上的因素。可以用相应的修正因子及修正项来表达出阻力系数，在喷动床中主 要考虑气体湍动特征、颗粒球形度及气固间温差对颗粒受力的影响，于是可以将 阻力系数表示成【4 8 ： c o = c t n ，( r e ) 厂( 回7 7 + g ( 力 ( 2 i 5 ) 式中c d s - - s t o k e s 阻力系数 厂( r e ) 一考虑r e 影响 厂( 司一湍流效应修正因子 卵颗粒非球形系数 g ( 刁一温差效应修正项 ( 2 ) 附加质量力 当颗粒在流体中作加速运动时，要引起周围流体作加速运动，此时流体给颗 粒一个反作用力，我们称为附加质量力，一般可以表示成阡8 】： e = 1 上x d 3 pd ( u g 一) ( 2 1 6 ) 但是，在导向管喷动床内气固流动中气体密度远小于颗粒密度的两相流动， 附加质量力可以忽略。 ( 3 ) b a s s e t 加速度力 由于流体惯性，颗粒变速运动时，流体不能立刻变速，颗粒表面的附面层不 稳定使颗粒受到一个随时间变化的流体作用力，称为b a s s e t 力，表达式为【4 9 ： 江苏大学硕士学位论文 乞2 i 1 世。励；e 赤u g - u p ) 卜叫， 钳一颗粒开始加速时间 k i b 依赖于加速度的模数a 。，k b = 2 8 8 + 3 1 2 ( a 。+ 1 ) 2 1 3 3 横向力 横向力的方向垂直于相对运动方向，它依赖于流体与颗粒间的相对运动，包 括m a g n u s 升力与s a f f m a n 升力。 ( 1 ) 马格努斯( m a g n u s ) 升力 由于颗粒横向速度梯度引起的颗粒旋转，位于颗粒一侧具有较高速度的流体 加速而另一侧流体速度减小，引起相应的压力升降从而产生使颗粒向流体压力小 的一侧运动的力，这个力为马格努斯( m a g n u s ) 升力。 球形颗粒上的m