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磁流化床气固两相流动的数值模拟及实验研究 摘要 磁流化床将流态化技术与电磁技术相结合，是一种新型、高效的流态化技术。由丁气吲 流化床具有流化质量高、稳定性好，床层压降小等优点，在化工，能源，环保，生物和食品 等许多领域有着广泛的应用前景。 本文从理论分析，数值模拟和实验研究三个方面阐述并解释了磁流化床内气固两相流动 的流动特性，并在实验过程中，对磁流化床的实验装置进行了部分改进，提高了磁流化床的 运行效率。具体内容如下： 理论分析部分：首先从磁流化床内气同两相流场中的受力状况出发，说明了磁场力怎样 消除并抑制气泡的生长；然后分析了在外加磁场的作j = h 下，磁流化床内的流动特。t $ l tr 磁流化 床的操作范围。 数值模拟部分：首先使用g a m b i t 按照实验装置的实际尺寸建立一个一维流化床模型， 然后对一维模型划分网格、设定边界层；在完成了几何模型的设置后，将模型导入f l u e n t 软件中，利用f l u e n t 设定实验中气同两相的物性参数并同时完成边界条件和初始运行条件 的设定，接着对数值模拟过程进行迭代，最后将数值模拟结果与实验结果相比较。结果表明， 数值模拟结果基本符合实际的磁流化床运行状况。 实验部分：对磁流化床实验装置作了如下改进：1 ) 将h e l m h o l t z 线圈2 间的轴间距拉 妖至1 5 倍线隅半径长度以增大磁场的均匀范围；2 ) 将布风扳改进为风帽式结构，它具有 布风均匀，不易堵塞的优点，可以获得较好的流化质量。实验中主要对磁流化床中气固两相 流场的流动特性及床层压降的变化规律进行了观察测定，并且利用磁流化床床层压降随气流 速度变化而发生变化的特点，确定了床层到达起始流化状态和磁稳：次态的条件。 通过数值模拟结果的气固两相等势图可以观察到，对于无磁场状况f 的流化床，床层内 气固两相扰动剧烈，有犬量气泡出现。而在外加磁场作用f ，磁场强度的不同对气吲两相的 影响电不同：往弱磁场作用下，气固两相受磁场力影响很小，扰动依然剧烈，气泡出现频繁： 在中等磁场作用下，气尉两相流在大部分区域流动均匀，但局部仍有一些小扰动；而在高磁 场强度作 _ h 下的气吲两相流场流动均匀床层内没有局部扰动，也没有气泡出现。这些结果 与实验一致，表明本文建立的气i 刮两相模型基本符合儆流化床的实际运行：状况，初步证明了 使用f l u e n t 软件模拟磁流化床的气固两相运动是可行的。 芙键洞：磁流化床。气州两崩流动，f l u e n t 致暗偻拟实验 n u m e i u c a ls i m u l a t i o na n de x p e r e m e n ti n s p e c i t o n0 f g a s - s o l i dt w 0p h a s ef o l wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e d b e d s a b s t r a c t t h em a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ( m f b ) i san e w t e c h n o l o g ya n di sw i d e l ya d o p t e d i nn o w a d a y s i n d u s t r y i tc o m b i n e sf l u i d i z e dt e c h n o l o g ya n de l e c t r o m a g n e t i c t e c h n o l o g yt o g e t h e ra n dt h e r e f o r ei t i san e wt y p ea n dh i g he f f i c i e n c yf l u i d i z e d t e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sh i g h e rf l u i d i z e dq u a l i t y , g o o ds t a b i l i t ya n ds m a l lp r e s s u r e d r o p se t c ，t h em a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d s ( m f b s ) h a v em a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h ea r e ao f e n e r g y , p r o t e c t i o no f e n v i r o n m e n ta n df o o d s t u f f e t e i nt h i st h e s i s ，w ee x p l a i nt h ef l u i dc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d f r o mt h r e ea s p e c t s ：t h e o r y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n s p e c t i o n i nt h e e x p e r i m e n t ，w eh a v ei m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e db y d e v e l o p i n gs o m ep a r t so fi t sd e v i c e s t h em a t e r i a lc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sb e l o w ： t h et h e o r e t i c a ls t u d yi n c l u d e s ：s t a r t i n gf r o ma n a l y s i s i n gt h eg a s - s o l i dt w op h a s e f l o wi nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，w ee x p l a i n e dh o wt oe l i m i n a t ea n dr e s t r a i n b u b b l e sb ym a g n e t i cf o r c e ，a n dt h e nw ea n a l y s i st h eo p e r a t i o ns c o p ea n df l o w c h a r a c t e r i s t i ci nm a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e du n d e rt h ee f f e c to fe x t r am a g n e t i cf i e l d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yi n c l u d e s ：f i r s tu s i n gt h es o f t w a r eo fg a m b i tt o b u i l da2 df l u i d i z e db e dm o d e lb yar e a ld i m e n s i o no fe x p e r i m e n ti n s t r u m e n t a n d t h e nm e s ht h e2 dm o d e la n dd e s i g ni t sb o u n d a r yl a y e r a f t e rf i n i s h i n ga b o v ew o r k ， t h em o d e li si m p o r t e di nf l u e n ta n db ed e s i g n e db o u n d a r yc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r a t t r i b u t i o ni ni t b yd o i n gs o ，w eh a v ei n i t i a l i z e dt h em o d e la n dt h e nw es t a r tt h e i t e r a t i o n c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t he x p e r i n a e n tr e s u l t ，w ef o u n dt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si sb a s i c a l l ya c c o r dw i t ht h ea c t u a lo p t i o nc o n d i t i o no f m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d t h ee x p e r i m e n t a l l y s t u d yi n c l u d e s ：w e h a v ei m p r o v e ds o m ep a r t so ft h e m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ：1 ) i no r d e rt oe x t e n dt h eu n i f o r m i t yr a n g eo fm a g n e t i c f i e l d ，e l o n g a t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oh e l m h o l t zl o o p st o1 5t i m e so ft h er a d i u s o f e a c hl o o p 2 ) t h eg i r dp l a t ei sd e s i g n e da st h ea i rb u r o ns t y l e ，w h i c hc a nl e a dt oa g o o df l u i d i z i n gq u a l i t y , c a nd i s t r i b u t et h ea i rf l o wu n i f o r m l y , b u tn o te a s i l yc a u s et h e b l i n d i n go fs c r e e n d u r i n gt h ee x p e r i m e n t em a i n l ym e a s u r et h eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca n dp r e s s u r ed r o pi nt h em a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，a n d s i m u l t a n e o u s l y , b yo b s e r v i n gt h ec o n d i t i o n sw h e nb e d ss t a r t t of l u i d i z ea n d b e c o m em a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e da r ed e t e r m i n e db yt h ep a t t e mo fp r e s s u r ed r o p v a r y i n g 、i t hg a sv e l o c i t y , w ec o n f i r m e dt h ec o n d i t i o n st h a tw h e nm a g n e t i c a l l y f l u i d i z e db e d sc o m e st oab e g i n n i n gf l u i d i z e ds i t u a t i o na n dm a g n e t i c a l l ys t a b i l i z e d s i t u a t i o n k e yw o r d ：m a g n e t i c a l l yf l u i d i z e db e d ，g a s s o l i dt w op h a s ef l u i d ，f l u e n t ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：医i 盛日期：墨! ! ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：区! 式导师签名：期：珊3 2 东南大学硕上学位论义 1 - 1引言 第一章绪论 气固磁流化床技术是流态化技术与电磁技术相结合的产物，是一种新型、高效的流态化 技术。由于其流化质量高、稳定性好，可依靠9 i - j d 磁场有效地控制床内气泡的产生和发展， 且具有气固混合均匀，气固接触好等特点，使其在化工，能源，环保，生物，食品等许多领 域有着广泛的应用前景。 传统气一固流化床一方面具有固体输送方便、传热能力强及操作压降低等优点，但另一 方面也存在着返混严重、气一固相接触效率低等缺点，这就提出了如何控制气泡，调节流化 床波动的问题，运用外加磁场控制流化床内两相的流动正是顺戍了这种技术的需要，由于磁 稳流化床集固定床与传统流化床的优点于一身，所以被认为是最有前途的新型反廊器之一， 它的主要优点如下：c 1 ) 有效地抑制物流的返混，使物流停留时间分布得以明显的改善i ( 2 ) 有效地抑制气泡的长大和沟流的发生：( 3 ) 可以采用细的粒子而无需担心过大的压降：( 4 ) 增大流化床的操作范围，增加设备的生产能力：在生物领域，磁稳流化床技术由r 其在生物 分离中具有集成分离性质、操作条件温和、分离速度快、对生物活性影响小等诱人的开发潜 力，呈现良好的应用前景。在环保领域，磁稳流化床削外加磁场抑制了流化床内的气泡，加 强了流化床内的气吲接触，克服了普通流化床过滤器效率低的缺点，又消除了传统的| 古| 定床 过滤器不能连续运行的弊病。因此，磁稳流化床州作过滤器就构成了一种结合了流化床、同 定床气固接触好，过滤效率高，无颗粒返混，无气体短路，流通截面大，床层压降小，颗粒 更新方便，适宜连续运行等优点的污染控制设备，对环保工作起着十分重要的作用。 从以上可以看出，作为新型的流态化技术，磁稳流化床在： 业应用中的前景十分巨大。 1 2 磁稳流化床简介 1 2 1 磁稳流化床的机理及特点 在外加磁场作用下的气固流化床可分为固定床、磁稳定床和磁鼓泡床3 种。在轴向均匀 磁场作用下，铁磁性颗粒气固流化床经历以下4 个阶段；在气速较低的条件下，颗粒层为普 通固定床，在气速达到某一临界气速后，颚粒层处于飘浮状态，床层开始膨胀，继续提高气 速后，床层不断膨胀，颗粒沿磁力线呈有守排列，由于床层的膨胀，床层孔隙率加火，使得 在气速不断增加的情况f ，床层压降基太保持不变，这阶段为气同散式流化：状态，称为磁稳 定床。继续提高气速达到起始鼓泡速度骨床层内开始连续山现气泡，气泡庄i - 升过程中 kk 、聚并，逸出床面破裂，z 现典1 j j i i 叫篓泡流化床特征，邮勺磁鼓泡床 气述进一 东南大学硕士学位论文 步增加，气体曳力克服颗粒重力及磁场力时，即为气力输送床。 在气固两相流系统中，气相以气泡存在方式为能量最小耗散，即以流体阻力最小方式流 动，若要破碎气泡或改变其阻力最小的流动方式，必须外加能量，否则，气相始终有成泡的 趋势。而固相则以团聚及沉积为最小能量耗散，即以势能最小为稳定状态。若要离散固相， 必须外加控制能量。 所以，气固流态化系统通常以鼓泡床出现，即所谓的聚式流态化出现。对气固流态化系 统外加磁场能量后，流化床出现明显的无泡散式操作区间，即磁稳定流化区间，其稳定性产 生的根源可以从咀下3 方面分析： 1 ) 在均匀轴向磁场的作用下，气固流化床中如出现气泡，则必将导致原来均匀的 磁力线弯曲变形，此时气泡周围的磁场是不均匀的，弯曲的磁力线有恢复成原 来均匀、平行、稳定状态的趋势，继而出现指向气泡的磁场力，且磁场力的方 向指向气泡中心，它将有利丁：防止气泡的形成和长大。 2 ) 在磁流化床中，受磁场感应的铁磁性颗粒群将成链排列，即磁链，类似于具有 一定强度的沿磁力方向排列的针状结构物，这种针状磁链通常由两个以上铁磁 性颗粒组成，磁链的长短与磁场强度有芙，场强越大磁链越艮，直至整个床层 被锁死，当气泡出现向上运动时，位于气泡上方的针状磁链将刺穿气泡，导致 气泡破碎。 3 ) 由于固相颗粒粒度分布较宽，在普通气固流化床中互相混朵，可以相互充填， 孔隙率较小，气相和圃相共同控制流态化系统。当加入外米磁场后，铁磁性颗 粒有序排列，大小颗粒各屠其位，在相同条件下将大大增加床层孔隙率，提高 了单位面积气体通过能力，扩大无泡散式流化区间的操作范围，表现出磁场流 化床的稳定性大大提高。 1 2 2 磁场流态化研究的回顾 f i l i p p o v 【1 】于1 9 5 9 到1 9 6 1 年间最早开展磁场流态化的研究，他用交变磁场研究了水 一铁粉体系，得到了此体系的近似相图，在相图上他观察到以下几种流化状态：( 1 ) 同定床： ( 2 ) 初始膨胀态；( 3 ) 假聚合态：( 4 ) 准流化态：( 5 ) 完全流化态；( 6 ) 颗粒夹带态。这 些状态是以目测来区分的，所以可能不够精确。h e r s c h t e r 于1 9 6 1 年也研究了液一固及气一 固系统的磁场流态化。并在1 9 6 5 和t 9 6 9 中所申请的专利【2 ，3 】中指出，交变磁场相当丁i _ 振动源，能使液一固及气一固系统接触良好，并能有效地限制气泡的生k 千| l 防止沟流的发生， 强化传质、传热：他还指出即使没有向上的气流，高强度的交变磁场也足以使颗粒上下振动 而达剑流态化状态。t u t h i l l 在其1 9 6 9 年中请的专利【4 】中最早提出“磁稳流化床”( m s b 、 东南大学硕士学位论文 的概念，其研究表明磁场既能压缩纯铁磁性物料流化床内的气泡，又能压缩铁磁性物料与非 铁磁性物料混合体系流化床内的气泡，并且还指出磁场强度大小要合适，既要能有效地压缩 气泡，又不能使颗粒团聚得过大。这期间k a t z 【5 】和i v a n o v 【6 】也进行了气固磁场流态 化的研究，表明磁场能限制气泡长大，增大流化床操作范围，强化传质传热。从2 0 世纪7 0 年代起，以美国e x x o n 公司r o s e n s w e i g 为代表，学术界开始系统地研究磁场流态化。 r o s e n s w e i g 于1 9 7 8 年到1 9 7 9 年间获得两项关于磁稳流化床的专利【7 ，8 】，他采用微扰的 方法，推导了气固磁流化床的稳定流化条件，从而划出了稳定流化的区域 9 1 ，他根据研究 结果，将磁场作用f 流化床的流化分为三个阶段：( 1 ) 固定床；( 2 ) 稳定流化床：( 3 ) 鼓泡 流化床。他的研究还表明：( 1 ) 空间、时间均匀的磁场优于空间、时间不均匀磁场；( 2 ) 磁 场能提高流化床的操作范围( 能使“。，达1 0 到2 0 ) ；( 3 ) 铁磁性物质与非铁磁性物质的 混合物能很好地实现流态化。他还指出要使流化床能稳定操作，最好的铁磁性物质与非铁磁 性物质体积百分比应在2 5 到5 0 之间。而a l b e r t 和t i e n 根据该理论描绘出了磁流化床稳 定流化的“相”图，基本也验证了r o s e n s w e i g 稳定准则的正确性【1 0 】。l u c c h e s i 则提出了 磁场抑制流化床中气泡的机理【11 】。 从上述回顾中可以看到，气固磁流化床的研究主要分为理论研究、实验研究和数值模拟 三个方面。 理论研究主要采_ ；| j 经典的双流体模型进行分析，1 9 7 9 年，r o s e n s w e i g 基于前人的研究 成果，通过在外加磁场作用下颗粒之间的相互作崩力，建立了磁流化床气吲两相数学模型 【1 2 】，他从理论上划分了稳定流化爱域，从而结束了仅从试验现象研究磁稳流化床的局面 开创了在理论指导f 、系统地研究磁流化床的新时代，在磁稳流化床研究中有着非常重大的 意义：近年来在国内，归柯庭等则通过采用局部平均权函数r ( r ) ，定义了气崮磁流化床中 的局部平均变量，导出了建立在局部平均意义上的气固两相的连续性方程和运动方程，通过 分析磁流化床中的应力张量e 曳力，矿，磁力哩厶，使方程封闭，建立起了描绘磁流化 床中气同两相运动的数学模型，推导了磁流化床的临界稳定区域，这些工作为磁流化床的研 究奠定了坚实的理论基础。【1 3 】【1 4 实验研究主要是通过实验对气固流场的流动特性进行观察分析，分析不同的流化速度、 磁场强度对气固流场流动状况的影响。国际上很多科学家对此都进行了大量的试验，i a n o v 、 p e n c h e v 、g r o z e v 和s h u m k o v 等研究了磁场对起始流化速度、床层膨胀、床层压降和传热的 影响【1 5 ，1 6 】，并通过对压力波动的研究考察了磁场对气泡的影响以及产生磁场的螺线 管的位置对流化的影响等等。与此同时h e r s c h l e r 进行了如何t 【= f j 螺绕环组台产生的外加磁 场控制流化床中的气泡和“团j 状”流，减少扬析的研究【1 7 】。t u t h i l l 等_ j 【i | 对如何控制外加 东南大学顸上学位论义 磁场，既消除床内气泡，又不导致颗粒积聚进行了研究，并由此获得专利【18 ，1 9 】；国内 科学家在磁场对气泡的湮灭作用，磁流化床的稳定性及磁流化床的操作范围等方面也进行了 大量试验研究。1 2 0 ，2 1 】 对磁流化床的数值模拟，国内外还鲜有报道。因为流化床床层内流动非常复杂，使用普 通的解析解很难求出结果，因此普遍采用数值解的方法来对流化床进行数值模拟。以往对普 通流化床的数值模拟，大多是采用s i m p l e 算法和改进的s i m p l e - - s i m p l e c 算法，并结 合f o r t r a n 语言或其他科学计算语言编程得出。应该看到，这样的数值模拟方法工作量 过于庞大，而且算法的优化和维护也很难进行，另一方面，由于此类编程语言只是将计算结 果通过程序中简单的绘图命令表示出来，这样得出的数值解的幽形结果只能简单地以箭头方 向裳示床层内气固两相的流动情况，既不能表示气泡的产生过程，也不能显示床层内各个点 的气固两相的速度大d , j j 扰动情况，而且对于床层内压降的变化情况也无法显示出来，因此 到目前为止，磁流化床的数值模拟尚未获得完全成功，要真正通过数值模拟方法模拟磁流化 床中的气固两相运动，还有许多工作要做。 l 一3 本文工作 由丁- 气i 刮磁流化床可依靠外加磁场有效地控制床内气泡的产生和发展，使其在化i 、生 物、环保等领域有着广泛的应用前景，越来越多的科学家关注着这一新技术的发展，希望对 磁流化床的流动特性做进一步的深入研究。但是，由于磁稳流化床内的气固两相流动十分复 杂，许多问题至今仍然没有解决：同时，现有研究中的磁流化床裂置结构仅是简单的试验雏 形，且试验设备尺寸较小，真正投入应用也尚有许多问题需要解决。 对磁流化床的实验十分繁复，并且实验所用材料消耗较人( 如铁磁性颗粒和h e l m h o l l z 线圈) ，如果没有一个止确的理论模型作为指导，为了求证某一现象或者推导一个经验公式， 实验往往需要反复多次才能达到预期目的，既浪费了时间又消耗了不必要的实验经费。因此 通过数值模拟，尤其是应用一些成熟的商业软件来模拟磁流化床中的气固两相运动，特别是 反映床层内气泡的产生，湮灭过程就显得非常重要。 为了达到这一目的，本文做了如下的尝试： 1 3 1 建立磁稳流化床的数学模型并进行数值模拟 为了对磁流化床内的气固两相运动进行数值模拟，首先要建立磁稳流化床甲的气同两相 流动数学模型，并研究气同两相流场在感场作用一r 的稳定性。 本文首先使i l g a m b i t 建 = 5 ，再使峭f l u e n t 软件先对咩通气流亿床礁 ! 进行数值 懊拟，行采川一阶隐式k g 戳方程湍流s 璎f l l 相榴台s i m p l e 簿法，结台本卫式j j a 的具 东南大学硕士学位论支 体边界条件，对该方程进行数值求解。然后在普通流化床基础上加上外加磁场，运用 u d f ( u s e rd e f i n ef u n c t i o n ) 在动量方程的源项中加入磁场力的定义式然后再对己收敛的普 通流化床的数值解进行选代收敛，得到磁流化床中气固两相的运动状况。 1 3 2 实验研究 本次实验的目的主要是将实验测得的气固两相流场与数值模拟计算的气固两相流场相 比教，通过对实验下得出的气圃两相流场流动状态的分析比较来验证数值模拟结果的正确性 并迸一步改进数值模拟程序。 为了达到这一目的，首先对磁流化床的试验装置作了以下改进： 1 将h e l m h o l t z 线圈之间的轴间距拉长至1 5 倍线圈半径长度以增大磁场的均匀范同。 2 将布风板改进为风帽式结构，它具有布风均匀，不易堵塞的优点可以获得较好的流化 质量。 实验中主要对磁流化床中气吲两相流场的流动特性及床层压降的变化规律进行了观察 测定，并且利用磁流化床床层压降随气流速度变化而发生变化的特点，确定了床层到达起始 流化状态和磁稳状态的条件。 东南人学硕士学位论文 第二章磁流化床分析研究与数值模拟 磁流化床在工业中有着广泛的应用前景，磁流化床的稳定性对相关工业设备的运行特性 有着极其重要的影响，而对磁流化床稳定性研究的基础就是对磁流化床内气固两相流动的研 究。因此，本章将首先介绍在磁稳流化床工况下床内气固两相流动的流动特性及磁流化床的 操作范围，然后结合实验中的具体资料对磁流化床的气吲两相流动进行数值模拟。 2 - 1磁流化床的特性分析 2 1 1 磁稳流化床的流动特性 在达到起始流化状态时，磁稳流化床与普通流化床是一样的，也就是说，起始流化状态 与外加磁场无关。但是气体表观速度人于起始流化速度后，磁稳流化床就与鼓泡床不同了。 当气体速度增加时，外加的均匀磁场起到抑制气泡形成的作用，床层中不产生大量气泡。而 矧体颗粒的流动性与鼓泡床相比不很明显，颗粒在床层中既不是自由运动，也不产生返混， 但是轻的颗粒可以浮在床层上，较重的颗粒则下沉到床层底部，床层压降基本保持不变。 2 1 2 磁稳流化床的操作范围 磁稳流化床在很宽的气体表观速度范围内都能保持稳定的散式流化状态，并且这一范围 随外加磁场的增强而增大。从理论上分析，磁流化床的稳定是由多方面因素影响的，包括磁 场方向，气流速度大小，磁场强度大小，磁性颗粒粒径，床层高度等。在弱磁场的作用下， 颗粒间的磁场力较小，床屡压降始终接近床层的浮重，床层料面平稳，床层中偶尔有气泡出 现，流化质量较好，鼓泡流化速度巩与起始流化速度l gr n f 之比较小在中等磁场的作用下， 磁场力对床层流化行为有相当的影响， u 。“。，之比将比弱磁场f 的数值有较大提高，在 强磁场下，颗粒间存在很强的粘性力，整个床层象一个很粘的流体，当表观气速超过起始流 化速度后，随着流速增加，床层压降先升高，直至一峰值，然后下降到床层的浮重，在磁场 不是特别大的情况下，床层中心形成沟流，床层料面呈喷射状，在特别强的磁场下，磁性物 质会凝结在分布板上形成死床，不能实现流态化，对这种情况f 的磁稳流化床，s i e g e l l 提出 用磁冰封床( m a g n e t i c a l l yf r o z e nb e d ) 来描述。 对于以上磁稳流化床的操作过程及运盱特性，c o h e n 平l l f i e n 根据实验得到了触流化床 结构“相”剀( 图2 一i 、，葭相图以嫩场慢度怍横坐标，以气潍袭观流速作纵坐怀将儆流 东南大学硕士学位论文 化床分为四个操作区：( 1 ) 固定床( f i x e db e d ) ( 2 ) 稳定流化床( s t a b l y f l u i d i z e db e d ) ( 3 ) 不稳定流化床( u n s t a b l yf l u i d i z e db e d ) ( 4 ) 临界稳定区( m a r g i n a l l ys t a b l ez o n e ) a 图2 1磁流化床的结构“相”图 2 2 网格划分和几何模型的建立 本次工作使用f l u e n t 软件进行数值模拟，f l u e n t 软件主要是用来对流体的流场和温度场 进行数值模拟，软件本身包含了g a m b i t 和f l u e n t 两个部分，g a m b i t 负责对需要求解的数学 模型建立几何模型( 2 d ，3 d ) ，然后对所建立的二维或三维模型进行阿格划分和边界类型定 义：f l u e n t 则是将导入的模型文件进行最后的数据处理，并求出数值解。 下面我们首先具体介绍应用g a m b i t 建立计算网格的工作。 g a m b i t 提供了建立模型，划分网格的基本步骤以及对己建立模型的边界类型的定义。 它通过图形用户接口( g u i ) 来接受用户的输入；通过可视化的输入接口，用户可以很方便 地绘制模型。g a m b i t 同时提供了检查网格质量好坏的工具，用户可以在进行数值模拟之前 对建立的模型网格进行质量检查，有效地防止因为网格问题引起的数值模拟结果失真的问 题。 2 2 1 二维模型的建立 由于在铁磁颗粒流过磁流化床床层的时候，需要涉受到流道的截面尺寸气f 本与颗粒表 面接触问题，而且流化床流化后所形成的气流通道结构复杂，流化后的颗 t 之间生相碰撞产 东南大学硕士学位论文 生的应力问题，并且床层截面形状与大小在不断改变，没有规律陲【2 2 ，因此必须对磁流 化床模型进行简化处理。 现在假定如下：( 1 ) 进行试验用的磁流化床床料铁磁颗粒均为球体，且半径相同； ( 2 ) 磁流化床中颗粒分布处处均匀；( 3 ) 磁流化床同一水平截面处气流分布均匀：( 4 ) 磁 流化床入口处的气流速度在水平截面上处处相同，为恒定值。同时由于时间及问题的复杂性， 使用g a m b i t 建立的磁流化床模型采用二维模型。 模型按照实验用磁流化床1 ：1 的比例绘制，床高1 2 0 0 m m ，直径1 0 0 m m ，床底加布风 板，由于采用的是二维模型，所以布风板上的风孔个数取沿床体直径的晟大个数。 圈2 2g a m b i t 模型 东南大学硕士学位论文 图2 3布风板 幽2 4 出口截面的网格划寸 幽2 5 已划分网格的模型 东南大学硕士学位论文 2 2 2 划分模型网格 在建立二维模型后，需要对模型进行网格划分，而网格质量的好坏直接影响到数值模拟 求解的正确程度，因此对网格的划分要根据具体情况而定。 本论文的工作是研究磁流化床中铁磁颗粒的流动状况，根据试验结果可以看出铁磁颗 粒的运动集中在床体的下半部，因此在划分网格的时候，网格的间距类型采用s h c c c s s i v cr a t i o ( 连续比例) ，比例取为10 3 ，y 向网格数为6 0 0 ：底部网格数为4 4 个，由于底部布风板由 2 2 个小线段组成，与项部的直线段类型不符，所以在为顶部线段划分网格的时候，不给出 网格数，且不执行绘制网格命令( 图2 - - 4 ，取消s p a c i n g 右边的a p p l y 选项和o p t i o n s 右边 的m e s h 选项) ，而是使用映像网格方法，让计算机通过计算自动得出项部线段所需节点数， 使得顶部的网格节点数与底部已给出的网格节点数相等，最后得出模型各个部分的网格划分 ( 图2 5 ) ，然后再对整个模型截面进行网格划分，得出本次数值模拟的几何模型的完整网 格模型( 图2 - - 6 ，2 7 ) 。 图2 6 完成的网格模犁图2 7 网格模型局部图 从幽2 7 可以看出，随着y 方向的高度降低，网格密度增加，这样f 二铁触颗车迕运动集 。昀中f 部就有了足够| 州洛米跟踪铁磁顺粒| i f 勺运动轨迹，而。一上部区域铁儆顺蓖o 举不出 东南大学硕上学位论文 现，因此使用较稀疏的网格不会影响计算结果而且节省了计算时间和计算机的运算开销。 2 2 3 确定边界层类型 由于磁流化床的风源是从布风板底部吹入床体内，因此定义布风板上的风孔为 v e l o c i 丁y i n l e t ( 速度入口) 类型，而布风扳其它部分和床体壁面由于没有特殊要求，定 义为w a l l 类型，对于流化床出口，由于在正常工况下铁磁颗粒不会到达床体上部并且从 床体出口逸出，因此将出口定义为p r e s s u r e _ o u t l e t ( 压力出口) ，而不用考虑床料的 速度问题( 图2 8 ) 。 图2 8边界类型定义 由此可见，整个建模过程包括建立几何模型，对已建立的几何模型划分网格和确定网格 类型三个部分。另一方面，对流化床二维模型( 面) 的网格划分是从对模型中线段的网格划 分开始的，即是从要进行网格划分的几何体的低一维几何体开始进行网格划分，这样的优点 是可以针对几何模型的建模特点有目的地布置网格节点的疏密度，提高汁算精确度及节省计 算时间。以本次数值模拟工作为例，如果在整个流化床中取相同疏密度的网格数，那么在数 值模拟计算中，瘫体中所有高度的计算量都是相同的，势必会浪费许多不必要的数值计算时 间。因为在实际试验中可以发现，铁磁颗粒真止运动的有效区域在床体的中f 部，也就是说 我们所关心的铁磁颗粒的运动：状况只出现在床体中f 部，只需要加强模型中中f 部网格的密 度及精度就充全叮以追踪铁磁颗粒晌运动：而床体中上邰由t - j l 乎没育铁磁颗粒出现，适当 泽低达一区域的司格罾度并不全j i 逗计雉误著，根据这。特苜我们茁建噢时减：流化床模1 诅 东南大学硕十学位论义 上部的网格密度以达到节省计算时间的目的。 2 3 用f l u e n t 进行磁流化床的数值模拟 描述流体运动有两种方法，即拉格朗日法和欧拉法。拉格朗日法是由刚体力学演化而来 的，在每一瞬间，如果流体的每一个质点的位置给定了，就可以得到流体流动的完整的图案， 每个流体质点随时间的变化就可以得到该质点的速度和加速度，但是对于流体力学来说，不 仅要知道各点的速度和加速度，还要确定流体的压力和密度等，应用拉格朗日法会带来较大 的困难：对于工程问题来说，并无必要知道每一个流体质点的运动历史，而恰恰是需要了解 所研究的区域内每一时刻每一点位置处的流体运动，这就是欧拉法，欧拉法使用空间变量描 述问题。 庄本文j ：作中，所耍研究的是流化床床体中固体颗粒的运动状况，由上面拉格朗日法和 欧拉法的比较可以看出，如果采用拉格朗日法研究磁流化床床层中的气吲两相流动，仅仅跟 踪少数单个颗粒的运动并不能反映床层的整体运动情况，而且对每个颗粒进行跟踪需要消耗 大量的计算时间，因而不宜采j _ l j 拉格朗日模型对磁流化床的流动特性做数值模拟：冈此本次 工作从磁流化床宏观入手，将流化床床体作为观察对象采用欧拉般流体模型方法使i 【i j f l u e n t 软件对磁流化床进行气、【封两相流动的数值模拟。 2 3 1 数值模拟基础 本文中应用欧拉法先对觜通流化床进行数值模拟，在数值解收敛后，再用f l u e n t 软件 在此结果上外加磁场进行再计算，这样的好处是减少运算复杂度和运算时间，并且可以得到 比较精确的数值解。 在欧拉单相模型中，只需要求解一套动量、质量和能量的守恒方程；对于多相流模型， 则必须引入附加的守恒方程，对最初的守恒方程进行修正；修止的内容包括各相的体积分量 的引入及各相之间动量、质量和热量交换机理。 ( 1 ) 守恒方程 由于流化床本体为有机玻璃简体，所建几何模型为二维简体模型，因此对方程采【； - 二维 平面坐标，得到二位平面坐标f 的欧拉方程： 气相连续方程 等+ v ( 翻乒0 ( 2 _ 叫 蚓相连续方程 塑型+v(1一。-，】：oot 。、1 二一2 ) 东南人学硕上学位论文 其中， p 空隙率； v 拉普拉斯操作数 速度； 下标j i 相分量( i = x ，y ) 气相运动方程 x 向： 印xv(4)xv(3)xv(2) v 6 ，己) j 一十一 缎 胗么 。- 1 r r 、斗一斗，p ( 4 ，6 ) ， 7 ，? - ；- l 挂 比吐 u ( 3 ，4 ) h 什件 图2 一1 0笛卡儿坐标下错州网格示意幽 2 ) s i m p l e 算法 s i m p l e 萍法使川压力和谜_ l _ ! 芝2 间的相互校止_ ) 系米强制质量守噎斤捩取压力场。 东南大学硕士学位论文 由于动量网格和自然网格错开半个网格，自然网格的主节点刚好位于动量网格控制容积 的界面上。这样，就可利用自然网格点的压力差值，求取作用在动量控制容积上的压力梯 度，因此动量守恒方程可写成： 口，办= d 。丸+ b + a p k 一0 ) ( 2 2 9 ) 式中a p 是动量控制容积x 方向上的面积，a ，忆一0j 为作用在动量控制容积上的压 力梯度，6 与式( 2 2 7 ) 中的b 相比，已不包含压力项。 由于压力场一般是未知的，按假设的压力场由上述方程解得的速度场一般不符合实际， 需进行修正。修正的方法是：发假设的压力场为p + ，则动量方程的离散化形式为： a t , = 口。彬+ 6 + 爿，p w 一0 j ( 2 3 0 ) 式中庐为速度初值。设p 为压力校正值，妒为速度校正值，则 p = p - p = + 庐 将式( 2 - - 3 1 ) 、( 2 - - 3 2 ) 代入式( 2 - - 2 9 ) ，减去式( 2 - - 3 0 ) 得 口，蝶= 芘+ 一，一巧) 忽略上式中的求和项d 。厶， 令d ；= a ，a p m 0 直接得到速度校正值和压力校正值间的关系 舴= d ：一彤) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 另一方面，将上式代入连续性方程得离散形式，消去速度校正值群，就可求得压力校 正值只，进一步求得速度校正值群，再用校正后的压力场作为改进值，重新计算速度场， 直到求得的速度场和压力场同时满足动量方程和连续性方程为i t ，这就是s i m p l e 算法( s i m i - - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n ) 【2 9 】。 东南大学硕士学位论文 第三章数值模拟结果及分析 第二章详细介绍了数值求解过程中各种外力对床层颗粒的影响以在求解过程中具体使 用的方法，本章将使用上章中的数值求解方法结合f l u e n t 软件对具体的数学模型进行数值 模拟，并对数值模拟结果进行分析。 3 1 定解条件 3 1 1 边界条件 ( 1 ) 入口边界( y = o ) ： 气相：“= u o ，“，= 0 圃相：“。= 0 ，“，= 0 ( 2 ) 出口边界： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 出口边界上的速度分布将通过质量守恒定律由内点速度分布导出【3 0 1 。其原理为： 首先出口流场要满足计算区域的总体质量守恒，其次出口截面上每一点的速度与其上游各点 的速度相关联。假定出口截面上各点轴向速度满足： = “ ：，+ k ( 3 3 ) 式中“，j ，“l ：，均为沿流化床轴向的流速，k 为常数，如图3 1 所示。 ”l 1j ”+ f m 2 幽3 1生j 也界速度分布导出示惫【型 东南大学硕上学位论文 另一方面，根据计算区域总体质量守恒得到 窆“，如k ，+ k 如，： 式中巴n , k 1 2 1 总流量，等号左边则为流出总流量，由此得到常数k 为 由此可根据式( 3 4 ) 得到出口流速“h 。 3 1 2 磁场力 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由于在现有的f l u e n t 版本中并无磁场力插件选项，也就是说不能通过f l u e n t 软件包直接将 磁场力加入到数值模拟中盘冈此本文采用将第二章中磁场力公式( 2 - - 1 4 ) 作为u d f ( u s e r d e f i n ef u n c t i o n ) 编译后加入到数值模拟中去。其函数体【3 l 】为： d e f i x es o u r c e ( n o ms o l l r c e ，c ，t ，d s ，e q n 其中