基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究
循环流化床气固两相流动模拟
基金项目:国家自然科学基金(50576106)收稿日期:2008-01-18 修回日期:2008-02-27第26卷 第3期计 算 机 仿 真2009年3月文章编号:1006-9348(2009)03-0272-04循环流化床气固两相流动模拟白志刚,杨 晨(重庆大学动力工程学院,重庆400044)摘要:循环流化床已被广泛用于能源、化工、环保等工业领域,但由于流化床内两相流动、传热及化学反应的物理机理和作用规律复杂性,目前为止对流化床的认识还远远不能令人满意,因此了解流化床内流动机理对循环流化床的设计和运行有深远的指导意义。
针对循环流化床燃烧技术,建立了描述其炉内气固运动特性的三维数学模型,用F l uen t 软件作计算工具,利用欧拉双流体模型(EULER I AN-EULER I AN)对流化床内的颗粒浓度分布、颗粒速度分布和床内压力分布等进行了三维数值模拟,计算结果表明:在床内固体颗粒浓度中心区域低、近壁面高的环核结构,固体颗粒在横截面上存在由核心区向环形区的内循环运动,在相同流化风速度下,沿床高压降随循环物料的增加而变大,在相同的物料循环量,沿床高压降随着流化风速的增加而减小。
关键词:循环流化床;气固运动特性;数值研究中图分类号:TK16 文献标识码:ANu m erica l Si m ulati on of Gas -Soli d F l ow i n CFBBA I Zh i-gang ,YANG Chen(Pow er Eng i neer i ng Co llege ,Chongqi ng U nivers it y ,Chongqi ng 400044,China)ABSTRACT :C ircu lati on fl u i d i zed bed (CFB)has been used i n m any fie l d such as energy ,che m ical eng i neeri ngand env iron m ent etc .Bu t the understand i ng o f flui d ized bed is i n a l aggard place because o f the comp licated m echa n is m and i nteracti on a m ong hydrodyna m i cs ,heat transfer and combustion ,so t he understandi ng of co m pli cated hydro dynam i cs in CFB reactor is s i gnificant to the design and ope ration o f CFB.An Eu l e r t w o-flui d model is estab lished to s i m u l a te the gas-partic l e t urbu l ent flo w i n a CFB reactor wh i ch adopts t he techno l ogy o f co m busti on to re tro fit i n th i s pape r .The model is coded to s i m u l a te the t hree-di m ensiona l fl ow i n t he CFB by m eans of FLU ENT CFD soft ware and the affec tion o f the so lid phase concentra tion d i str i bu tion .The so li d phase ve l oc ity and pressure distr i bution of CFB are st udied and ana lyzed .The resu lts show tha t the fl ow pa ttern i n t he secti on of a CFB consists o f a core-annu l a r fl ow reg i m e i n w hich the so li d density near the wa ll reg i on is higher than that i n the cen ter o f the reactor ;t he pa rtic l es m ove fro m the center to t he annu lar zone i n the sa m e section ;at the fi xed fl u i d i zed a i r ve l oc ity ,t he press ure drop in the reactor i ncreases w ith the i ncrease o f c i rculati ng m ass and the pressure drop i n t he reactor decreases w it h the i ncrease o f t he flui d ized a ir veloc it y w it h t he sa m e c irculati ng m ass .KEY W ORDS :Characteristics o f gas-soli d flo w;N u m er ica l si m ulati on1 引言能源与环境是当今世界发展的两大问题,而石油资源日益紧张,使世界各国将能源结构的比例从燃油(天然气)向煤转移,我国是产煤大国,已经探明的煤的储存量达到八亿多吨,目前一次能源消耗中煤炭占76%,在可见的今后若干年内还有上升的趋势,而且这些煤炭中又有84%是直接用于燃烧的,但其燃烧的效率不高,并且燃烧所排出的大气污染物还没有得到有效的控制,可见发展高效的清洁煤燃烧技术是亟需解决的问题。
FLUENT中两相流多相流中模型的的选择问题
F L U E N T中两相流多相流中模型的的选择问题 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气—液，气—固，液—固等两相流之分。
两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。
引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。
一.离散相模型FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；？离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；？应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；？湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。
通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”？二.多相流模型FLUENT中提供的模型：VOF模型(Volume of Fluid Model)？混合模型(Mixture Model)？欧拉模型(Eulerian Model)？模型(Volume of Fluid Model)VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面；VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。
管道复杂流场气固两相流DPM仿真优化
第48卷 第1期 2015年1月天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University (Science and Technology )V ol.48 No.1Jan. 2015收稿日期：2013-06-27；修回日期：2013-11-08.基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA04Z180)；国家自然科学基金资助项目(60974118). 作者简介：张 涛（1950— ），男，硕士，教授，zt50@. 通讯作者：李红文，lize739@.网络出版时间：2014-03-24. 网络出版地址：/kcms/doi/10.11784/tdxbz201306057.html.DOI:10.11784/tdxbz201306057管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化张 涛1，李红文1, 2(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2. 东北石油大学学校办公室，大庆 163318)摘 要：针对Fluent 中气固两相流离散相模型(DPM )仿真，为提高通用模型对管道节流复杂流场问题仿真时的准确性，在结合气相流场分析与固相颗粒受力分析的基础上，提出DPM 优化的4项措施，即从气相速度入口模型、颗粒曳力模型、颗粒壁面碰撞模型、颗粒所受各个力的合理取舍4个方面进行优化．通用模型的优化通过调用Fluent 相关宏并编制用户自定义函数(UDF )程序实现．实验已验证优化DPM 的准确性明显优于通用DPM ，具体体现在：两相流型转换时气相速度区间的模拟，颗粒沉降气相临界速度的模拟方面，这2项指标优化后比优化前分别提高55% 和50% ；在实验管道局部阻力损失与节流孔板前颗粒速度分布的模拟仿真方面，优化DPM 显然具有更准确的优势．通过实流实验与仿真模拟的对比，证明优化是有效的．从研究过程可以得出，模型优化的方法对于其他类似的复杂流场工况具有通用性和工程实用价值．关键词：计算流体力学；气固两相流；离散相模型；用户自定义函数；标准孔板中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2015)01-0039-10Simulation Optimization of DPM on Gas -Solid Two -Phase Flow inComplex Pipeline Flow FieldZhang Tao 1，Li Hongwen 1, 2(1. School of Electrical Engineering and Automation ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. School Office ，Northeast Petroleum University ，Daqing 163318，China )Abstract ：General discrete phase model (DPM ) simulation on gas-solid two-phase flow is now widely employed. Inorder to improve its accuracy on pipeline throttling with complex flow field, based on analysis combined gas flow field and forces acting on solid phase particles, four optimization measures about the general DPM model are proposed,which include gas inlet velocity model, particle drag model, collision of particles with internal surface of pipeline and reasonable choice of each force on particles. The optimization of general model is achieved by calling Fluent related macro and comp iling user defined functions (UDF ) p rogram ．Exp eriments verified that the accuracy of the op ti-mized DPM model is significantly superior to the general model ，as is shown in the following four aspects: the simu-lations of the two-phase flow gas velocity conversion interval and the gas critical velocity of particle sedimentation ，which increased by 55% and 50% respectively in the optimized model; what is more, the optimized model obviously has more accuracy advantage on local resistance loss in experimental pipe and particle velocity distribution simulation. Through the contrast of experiment and simulation, the optimization is proved to be successful, and it is concluded that the method of op timization is versatile for other p ip eline with comp lex flow field and has p ractical engineering value ．Keywords ：comp utational fluid dynamics ；gas-solid two-p hase flow ；discrete p hase model (DPM )；user definedfunction (UDF )；standard orifice plate气固两相流在工业生产中，尤其是能源动力及化工等领域应用广泛，其中稀相气固两相流管道流动·40·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期中，通常安装有流量测量装置，例如燃煤电站输送管道煤粉含量和流量的节流法测量，锅炉工业中含尘烟气流量测量等.近年来林宗虎[1]通过差压法测量气固两相流浓度，即在煤粉吹送管道中加装各种孔板元件来实现，王文琪[2]、谢菲[3]采用文丘里管进行煤粉输送管道中的流量测量.由于节流件的阻碍作用，管道内部流场复杂[4]，流动情况多变.在这种情况下，两相流会有不同流型；如果气相速度降低，固相颗粒还会沉降，因节流件通常用于单相流测量，当用于两相流测量时，需要深入研究上述问题；此外，对固相颗粒轨迹的研究能更好地了解颗粒的行为.这些都有助于提高测量精度.上述问题采用实流实验研究方法显然不十分方便，需要找到一种方便有效的研究方法.随着计算机仿真应用技术的发展，CFD(compu-ta tiona l fluid dyna mics)流体仿真模拟技术得到很快的发展，其中Fluent是最有代表性的仿真软件之一，它的优点是突破了实物条件的限制，使用方便，应用范围广泛.DPM(discrete pha se model)是Fluent的子系统之一，利用它研究气固两相流离散相实用且有效，可以方便地研究上面提到的这些问题，但在实际应用中发现它仿真模拟的准确性与前文工况或相对应的实流实验有些偏差，准确性尚有提高的可能，仿真的优势未能充分发挥.本文借助两相流颗粒力学等结论，结合气相流场特点，对离散相颗粒行为进行了详细分析，将颗粒受力进行了合理取舍，结合实际优化了入口与碰撞的边界条件，及曳力系数经验公式，结合UDF(user de-fined function)这一有力的实用工具，对低浓度气固两相流管道的孔板测量工况的DPM模型进行了改进，即优化研究工作，再通过实流实验进行验证，提高了仿真模拟的准确性.1 DPM算法的过程分析与数学描述1.1 Gambit网格剖分与Fluent气相设定在DPM模型中，定义气体为连续相，定义固体颗粒为离散相.若要准确研究离散相颗粒的行为，气相流场的准确计算与模拟是必要前提.首先依据试验用管道实体情况剖分Gambit网格模型，标准孔板尺寸为D＝50mm，孔径比β取0.50、0.65、0.75 3种规格，孔板厚度为3mm，流体介质为标准状况下的空气，孔板前后的直管段长度分别为50D与30D.孔板前后气相流体湍动剧烈，流场中速度压力梯度大，所以孔板前后网格要划分得精密些，其余直管段部分为流场充分发展段，网格划分相对稀疏些，精密与稀疏网格通过尺寸函数来过渡，这样既能保证网格质量，又不至于使网格数目过多，能平衡好计算的准确性与计算速度的矛盾[5].仿真计算中，气相控制方程应用Realizable k-ε两方程模型，此模型适用于包含射流，及混合流的管内流动，对本文工况非常适用；设残差小于0.0001时方程收敛；设置求解器为3维单精度形式；动量、湍动能、湍流耗散率等选取一阶差分迎风格式；根据实际将管道入口及出口，设置为速度入口及自由流出口.CFD软件中有网格自适应功能，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确.计算过程中采用了网格自适应adapt 功能[5].图1为气相仿真中孔板附近轴向剖面速度云图.从图中可见，孔板前1D之前为充分发展的管内湍流，轴向截面速度场形成规则的湍流速度分布.孔板后5D范围以外流场又开始逐渐恢复成孔板射流之前的湍流状态.而在孔板前后，速度与压力梯度大，流场复杂[4]，具体表现为，孔板的射流，形成高速的速度峰值区，孔板两侧的环形直角区又发生剧烈的速度回流，即存在显著的漩涡.实验用离散相固体颗粒为石英砂，其平均直径0.04mm，表观密度为2600kg/m3，堆积密度为1400kg/m3，颗粒形状近似球形．仿真计算中颗粒物性按此进行设置，形状视为球形．图1孔板附近轴向剖面速度云图Fig.1Axial profile velocity contours near the orifice plate 1.2 固体颗粒在气相流场中的受力分析DPM模型要从颗粒受力作为研究的切入点.离散相颗粒在气相流场运动过程中，重力与浮力是最基本的两个力，此外，还有很多个力作用于颗粒，不同力对颗粒运动影响不同，即地位和作用各有差异[6-7].颗粒在流场中随气相运动，其惯性力为3i p p pπ(d d)6F d u tρ=(1)式中：d p为颗粒直径；ρp为颗粒密度；u p为颗粒速度.在流场中，阻力与曳力二者互为相反，即颗粒对2015年1月 张 涛等：管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化 ·41·气体产生阻力，曳力是阻力的反作用力，由气体施加于颗粒，其表达式为 2D p D p p ()/2F r C u u u u ρ=π−−(2)式中：u 为气相流体速度；ρ为流体密度；r p 为颗粒半径；C D 为曳力系数或阻力系数.这一表达式是定义形式，在具体工程应用中，这一公式会有各种不同表达方式.压力梯度力是气相流场中压力梯度对颗粒引起的作用力，表达式为 p p (/)F V P x =−∂∂ (3)式中V p 为颗粒体积．由颗粒表观质量效应产生的虚假质量力为 vm p p (d /d d /d )/2F V u t u t ρ=− (4)颗粒在流体中旋转会产生升力，称作Magnus 升力，它一般与重力数量级相同，表达式为3Mag p p π()/8F d u u ρω=−(5)式中ω为颗粒自转角速度.流场具有速度梯度，于是颗粒上下侧的速度大小不同，这对颗粒产生的升力，称作Saffman 升力，表达式为1/212Saf p p 1.61()()d /d F d u u u yμρ=− (6)式中μ为空气的动力黏度.在黏性流体中，流体流动的不稳定造成一种瞬时流动阻力，即Basset 力，它是一种历史力，需要计算颗粒的运动时间经历的有关指标，才能准确描述.其理论表达式为(Bas p 01.5d d d d d tF d u u τττ=⎡−⎣∫(7)1.3 通用DPM 模型的解算过程模型中假设固相的体积分数小于10%，即离散相很稀疏，认为颗粒与颗粒之间，不发生碰撞，没有互相作用.每个颗粒只与流体互相作用.模型的解法是对连续相流体求解欧拉坐标系下的纳维-斯托克斯方程，不失一般性，可先设残差为0.005或0.010，当计算结果收敛后，将颗粒注入流场，再以单颗粒为对象在拉格朗日坐标系下，求解颗粒运动状态，以颗粒的轨道方程来表示，此时要考虑颗粒与流体的相互作用，此时残差一般设为0.0001，当计算再次收敛时，即得到计算结果.在DPM 中，为求解离散相颗粒运动轨道，需要对描述颗粒作用力的微分方程进行积分.根据牛顿定律，颗粒惯性等于作用在颗粒上的各个力之和，其在直角坐标系下的形式(以x 方向为例)为p D p p 2Dp p D p p (d d )()(18)(24)()x xm u t F m g F F m d C Re u u ρρρμρ=+−+⎧⎪⎨=−⎪⎩ (8)式中：m 为单颗粒质量；F x 是x 轴方向上的其他力，包括第1.2节提到的所有力，后文会详细分析这些力的处理方法；Re p 为颗粒雷诺数或相对雷诺数，定 义为p p p Re d u u ρμ=−(9)Fluent 中对于Re p 有5种经验公式模型可选，通用DPM 一般采用的简化表达式为 D 123p pC Re Re ημμμ=++ (10)式中1μ、2μ、3μ、η为DPM 通用模型库中存储的常数，由相关经验公式得出．对式(8)积分可得颗粒轨道x 轴方向上每一个点的瞬时速度，而颗粒轨道通过对方程 p d d x t u =(11)进行积分，即求得x 值．求得颗粒在x 轴方向上的坐标后，同理可求得颗粒在y 、z 轴方向的坐标，这样仿真计算结果就可得出颗粒在流场中的位置，即离散相颗粒的轨迹．2 通用DPM 的分析与优化2.1 通过分析确定通用模型的优化策略通用DPM ，也称之为基本或理想DPM 模型，适用于很多两相流工况，它普适性较强，但对于某些特殊问题的数值模拟，误差稍大.对于文中气固两相流孔板检测这一具体问题，前文已提及，在孔板前后气相流场很复杂，速度和压力梯度大，固体颗粒受其作用，在孔板前后区域，颗粒与管壁、孔板迎流面发生多次碰撞反弹，由于颗粒自身快速地自转，决定了被反弹后的运动方向也各不相同，当气相速度降低，颗粒还会因重力沉积在孔板前方的管壁下侧，此时气相速度为固相颗粒沉积临界值.因此，对此问题的DPM 仿真，需要自定义其中的一些物理模型，以提高针对具体工况模拟的准确性.研究后发现针对本系统，通用模型具有几个方面可以改进和优化之处，详细论述如下.2.1.1 颗粒受力分析与处理方案针对第1.2节中颗粒所受各个力，进行分析并选取合适的方案处理，用以优化DPM 模型. 通常，颗粒曳力最明显也最大，它比压力梯度力大3个数量级，比虚假质量力比大3或4个数量级[7]，所以，可以合理地忽略这2种较小的力.·42·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期通用DPM模型中，设置了Saffman升力处理程序，通过启动相应功能选项来实现.通常的模拟中往往忽略此力，但对本文工况，这样处理有失准确.原因是，根据式(6)分析，Saffman升力由于颗粒上下侧的速度大小不同，即速度梯度所产生，在管道流动的中心区，流体速度梯度小，此力可视为0，但是在边界层中流体速度梯度大，Saffman升力明显，尤其在管内流场复杂的孔板前后方，速度梯度更大.只有对此力加以计算，才能更准确地描述颗粒行为.通用DPM模型将颗粒看作表面光滑的球形，于是认为颗粒不受气相流场的外力矩，故而合理地将Magnus升力忽略.事实上，颗粒形状不存在理想的球形，只要外形有一点不规则，气相流场就令颗粒受到方向各不相同的力矩作用，结果是颗粒产生自转运动且速度很高[7-8]，经研究发现转速可达1000r/s左右.又根据式(5)，Magnus升力大小与重力相比，二者大小相等方向相反，研究得到的几个典型经验值认为二者量值差异在10%以内[7]，于是Magnus升力与重力能够互相抵消.而颗粒的曳力又比重力大1个数量级，由于式(8)中已经计算了重力，如果忽略Magnus 升力将会造成很大的误差.所以准确计算此力将更加准确描述颗粒运动.如果需要准确计算Basset力，需按照由长福等[9]给出的表达式进行.针对本文工况，由湍流引起的颗粒随机脉动，其影响经积分后Basset力几乎为0.同时实际情况也符合流体密度与颗粒密度之比小于0.002时，可以忽略Basset力这个条件，据此本文将其忽略，不失合理性.2.1.2仿真模型气相入口速度的优化模拟管道的气相速度入口时，从图2(a)可见，入口截面上往往采用简化的匀速固定速度流入方式，其大小为u0，而实际上孔板节流件之前已经有足够长的直管段，气相已经形成如图2(b)所示的速度分布.而在通常仿真中，研究人员所设定的入口速度u0是一个通过质量流量准确计量而求得的平均流速，这种简化的速度入口形式与实际情况相差较明显.尤其涉及到计算颗粒轨道的步骤时，气相的差异造成入口处颗粒运动的初始状态就与实际工况有明显差异，尤其是接近于管壁处的边界层区域，这种差异要比管道主流区明显得多.尽管这个差异的影响随着迭代计算会有所减弱，但很难消除，会在整个计算区域一直存在，根据式(6)可知，这种影响的表现之一就是Saffman升力不准确.解决这个问题的方法是采用自定义速度入口，用以描述图2(b)的两相模型气相速度入口形式为0.15in m(/)u u r R=(12)式中：R为圆形管道半径，R＝25mm；u m为圆形管道中心轴线上的速度；u in为管道入口处距轴线r处的速度，针对本文工况，经流体力学基本理论计算，可知u m＝1.24u0，采用式(12)描述的气相速度入口，可提高仿真计算的准确性.（a）通用DPM模型气相速度入口（b）优化DPM模型气相速度入口图2两种仿真模型速度入口形式Fig.2Speed entry of two kinds of simulation model2.1.3颗粒曳力模型的选择在计算曳力时，通用DPM模型给出的5个经验公式，编制了相应程序，用来解决各种常见工况.在一定的颗粒雷诺数Re p范围内，程序中通常用将C D 表示为Re p的一个全区域通用的经验公式函数.而在本文工况中，对于充分发展的管内流动，雷诺数变化范围较大；尤其在孔板前后附近区域，即孔板前1倍后3倍管径范围内，气体湍动显著，雷诺数的变化区间超过充分发展管流的数倍，颗粒受气相流体作用，造成全区域的曳力系数模型较为粗略，针对此问题有必要选择更加准确的曳力系数模型.在计算方程(8)时，C D采用文献[7]提供的“球形颗粒曳力系数表达式”，它将见整个颗粒雷诺数适用范围分为10个区间，如表1所示，它来源于前人大量的实验数据与统计研究，从0到无穷大的任何表1全雷诺数范围球形颗粒曳力系数表达式p2015年1月 张 涛等：管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化 ·43·一个颗粒雷诺数，都相应地对应某个精确的曳力系数表达式，其优点在于采用分段表示的的精确公式，准确性明显要高于全区域通用的经验公式.在DPM 模型优化中，为提高仿真模拟的准确性将表1公式组代替原有的曳力系数表达式.2.1.4 颗粒壁面碰撞边界条件优化系统运行中，固体颗粒会与壁面发生碰撞并反弹，尤其在孔板迎流面最为显著.碰撞行为受颗粒的物性、运动状态，包括速度、入射角度，自旋状态等等参数的影响，由于众多因素的影响，至今没有反映碰撞规律的普适模型，在DPM 通用模型中，程序将实际情况简化为反射、捕获、逃逸3种边界条件，这样处理的理由有2点，或是认为颗粒碰撞不存在能量损失，是完全的弹性碰撞，或是简单地设定一定的常数值碰撞恢复系数，用以表示颗粒的能量损失程度.分析可知，这2个简化方法都不能较准确描述颗粒与壁面碰撞的复杂过程，引入计算误差.所以要针对各个工况的具体情况寻求合理的碰撞模型，便于准确地描述碰撞后颗粒的行为，以及描述更为准确的运行轨迹，从而提高仿真准确性.国内外一些科研人员[8，10-11]通过激光全息和PIV 实验装置，针对于某些特定的工作参数条件.得到了一些颗粒壁面碰撞模型的经验公式，这些经验公式普遍认为反射、捕获、逃逸的定义，稍为简单，他们通过大量的统计性研究，发现恢复系数与入射角及入射速率有关.本文中颗粒的理化特性与工况非常接近其应用条件，故将其应用于DPM 模型优化过程中文献[8]所提供经验公式为 2211134111.00.75(2.033.322.240.47)v v αααα=−−+−(13)2121134111.00.0775(0.41 2.522.190.53)ααααα=+−+−(14)式中：v 1与v 2分别为颗粒与壁面碰撞前后的速率；α1与α2分别为颗粒的入射角与出射角，rad ．具体形式如图3所示．图3 颗粒壁面碰撞示意Fig.3 Collisions between particles and wall2.2 DPM 优化策略的实现Fluent 软件不可能满足每一个具体工况的实际情形，其标准界面及功能并不能满足每个用户的需要．软件提供的UDF 功能正是为解决这个问题而开发的，用户可以编写Fluent 源代码来满足各自的特殊需求．用户自编的代码程序可以动态地链接到Fluent 求解器上来提高求解器性能．UDF 中可使用标准C 语言的库函数，并使用Fluent 提供的预定义宏，通过预定义宏，可以获得Fluent 求解器中的数据．本文采用编译型UDF ，嵌入共享库中与Fluent 链接并运行[5]．采用UDF 功能实现通用DPM 模型的优化，采用上文相关公式进行C 语言编程，并通过Fluent 中的几个自定义宏来实现，对应第2.1节相关宏如下．(1)为准确计算Magnus 升力，使用“自定义重力及曳力之外的其他体积力”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BODY_FORCE ；如需准确计算Basset 力，也通过这一宏实现.(2)为准确定义空气入口湍流速度剖面表达式，使用“自定义边界截面上的变量分布”这个宏，其语句为DEFINE_PROFILE .(3)为定义颗粒曳力模型的公式组，使用“自定义流体中颗粒的曳力系数”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_DRAG .(4)为实现自定义的颗粒与壁面碰撞规律.使用“自定义颗粒到达边界后的状态”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BC .所编制的C 语言源程序，包含上述宏语句的代码，在离线调试运行成功后，作为功能模块添加到Fluent 通用模型中，然后再进行DPM 模拟计算，这样，针对气固两相流节流流场，拓宽了通用DPM 模型适用范围，同时提高了仿真精度，解决了具体问题的实际需求，DPM 模型得以优化.需要说明一点，Fluent 中DPM 优化前后，其适用条件没有变化，即假定离散相非常稀疏，这样可以合理地忽略颗粒与颗粒间的相互作用，以及忽略颗粒体积对连续相的影响．这个假定意味着离散相体积分数小于10%．但是颗粒质量载荷可以远大于10%．在下文的实验与仿真中，当取最大的固气质量比R PG ＝5时，颗粒体积为两相混合物的0.43%，符合DPM 的适用条件．在仿真计算中，颗粒载荷比较大，离散相的颗粒质量会对连续相气体的流动状态产生影响，所以为准确计算两相间的相互作用，需采用相间耦合计算模式[12]．3 DPM 优化前后仿真与实验对比验证实流实验在天津大学气固两相流实验装置上完·44·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期成，此装置是研究气固两相流的理想平台，实验段管路可以安装各种流量检测仪表．装置详细介绍可见文献[13]．实验台部分接入标准孔板法兰取压部件，法兰两端可以更换，实验中接入一段粗糙度等指标与钢质管道很接近的透明工程塑料管道，以便观察管内孔板前后颗粒的流动状况．3.1 气固两相流流型与流型转换区间的验证实验中，针对3种不同规格孔板，当固体颗粒注入，在β＝0.50、0.65、0.75时，气固质量比R PG＝1.0、2.0、3.0，固相体积分数均小于0.25%，此时两相流有悬浮流和管底流2种流型，分别描述为：①气相作用下，所有颗粒悬浮在管道中向前流动，颗粒在管道中呈现均匀的弥散状态，此时处于悬浮流状态；②半数以上的颗粒位于管道下部高度为D/4部分，在气相作用下，少数颗粒在管道底部跳跃前进甚至滚动(或滑动)前进，此时颗粒处于管底流状态，而颗粒未出现停滞，全部流过管道，没有沉积在管道底部．当气相入口流速改变时，流型会有所变化，速度较低时出现管底流，速度较高时，出现悬浮流．两种流型之间有一个过渡区域，文中称为流型转换区．实验操作中，气相入口的速度u0的范围为2～10m/s．入口速度u0从高速开始，逐步减小，每隔0.1m/s为1个实验点．这样得到实际实验中流型转换速度区间[u1，u2]，当u0＞u2时是悬浮流，当u0＜u1时是管底流．颗粒流动的状况可以从孔板前方的透明管道观察到．仿真采用ANSY S Fluent13版本软件，设定与实流实验相同的实验点参数．先对每个实验点工况下进行纯空气流动的仿真模拟，当气相收敛残差达到0.01时，暂停仿真，存储cas与dat文件，为进行比较研究，分别启动通用DPM模型，与优化DPM模型进行仿真，便于比较研究．在颗粒注入管道气相流场时，采用管道入口的面射流源注入．图4为DPM仿真程序模拟绘制出的颗粒轨迹(统计平均轨道)，分别代表了2种流型．在孔板上游，处于悬浮流的颗粒轨迹均匀地布满整个管道剖面，处于管底流时颗粒在管道下方更为密集，与孔板迎流面下方发生碰撞也多一些，这与实验管道中的观察情况一致．通过仿真与实验结果对比可知，优化DPM在两个方面优于通用DPM：①通过观察可知，优化后模型仿真模拟颗粒的轨迹更接近实际情况；②流型转换时，对气相临界速度区间的模拟，优化模型更接近于实流实验，如表2所示，仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．（a）悬浮流（b）管底流图4悬浮流与管底流实物与仿真示意(单位：s)Fig.4Suspension flow and pipe bottom flow(unit：s)仿真结果偏差是按如下方法估算的：取每个速度区间的中点，作为流型转换区速度的典型值，以表中第1行数据为例，相应的各个典型值为5.90、5.40、5.55，以实流实验为准，通用与优化DPM仿真典型值相对于实验典型值的偏差大小分别为δc＝0.35和 δo＝0.15，于是优化DPM相对于通用模型对比，典型值偏差减小为优化前的比例为Δ＝δo/δc＝0.428．表2流型转换时气相速度区间[u1，u2]Tab.2Velocity conversion range [u1，u2] of air flowm/s 参数值通用DPM 优化DPM 实流实验β＝0.75，R PG＝3.0 [4.8，7.0] [4.4，6.4] [4.5，6.6]β＝0.65，R PG＝2.0 [4.6，6.6] [4.1，6.0] [4.3，6.2]β＝0.50，R PG＝1.0 [4.5，6.6] [4.2，6.3] [4.2，6.1]这组实验在不同时间做过3次(每次实验数据都与表2非常接近)，一共9组数据，相应算出9个Δ值，这9个Δ的算术平均值是0.45，所以得到仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．如果在数轴上观察各个区间的分布情况，能够看出优化DPM所描绘的转换区间明显比通用DPM接近实流实验．3.2 颗粒沉降气相临界速度的仿真与实验在流型为管底流状态时，当气相入口速度逐渐降低时有更多的颗粒在管底滚动(或滑动)前进，越多的颗粒碰撞管底后不会弹起，速度进一步降低，有部分颗粒因速度不足而不能通过孔板，滞留在孔板前部的管道下方及孔板前部直角区的位置．这种工况可以在实验装置透明管道中观察到．当有颗粒滞留时，气。
基于 FLUENT 气固两相流数值模拟与分析
基于 FLUENT 气固两相流数值模拟与分析高德真;李佳璐;李德臣;刘姝;王晓宁【摘要】The pneumatic transmit experiments with the size of sand of 1.2 mm were carried out with compressed air as pumped in the T pipeline experimental bench.Numerical simulation analysis is carried out of the pneumatic transmit process under different condition of the transmission flow and pressure,whereas the change of pressure drop and gas-solid two phase volume fraction in branch pipe was achieved.Numerical simulation results show that,pressure drop is proportional to the transmission flow and pressure in the lower part of the pipe,whereas particle volume fraction is inversely proportional to the transmission flow but proportional to transmission pressure.Gas volume fraction is proportional to flow,but it is inversely proportional to pressure.The simulation results are in good accordance with the experiment results.The study provides relevant basis for the further research of the pneumatic conveying.%以 T 型管道为试验平台，利用压缩空气输送直径为1.2 mm 的沙粒进行气力输送试验。
基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究
基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究1. 引言气固两相流是指气体和固体颗粒同时存在且相互作用的流体系统，其广泛应用于化工、能源、环境等领域。
其中，流化床是一种常见的气固两相流设备，其特点是颗粒床层的非均匀性和颗粒与气体之间的复杂相互作用。
为了更好地理解和优化流化床的性能，研究人员创造了各种流态模型，并利用计算流体力学（CFD）软件进行模拟和研究。
本文将介绍基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型进行的研究。
2. 模型建立基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型进行研究首先需要建立适当的数学模型。
在模型建立过程中，考虑到颗粒的二维流动特性，我们采用了欧拉-拉格朗日方法，即将流体相视为连续介质，颗粒相视为离散颗粒。
然后，我们引入了连续相动力学方程和离散相运动方程，以描述气固两相之间的相互作用。
其中，连续相动力学方程包括连续相速度、压力和密度的变化等，离散相运动方程则考虑了颗粒的运动速度和位置等。
3. 模型求解在建立气固两相流模型后，我们利用Fluent软件进行数值求解。
首先，根据实际流化床的几何尺寸和操作条件，对计算域进行网格划分，并设定边界条件。
然后，通过求解连续相动力学方程和离散相运动方程，我们可以获得气固两相流的速度场、浓度场以及压力场等结果。
通过对结果进行分析和比较，我们可以得到流化床内气固两相之间的相互作用规律。
4. 结果与讨论根据模型求解的结果，我们可以得到一系列流化床内气固两相流的特性参数，如颗粒床层的压降、气固两相的混合程度等。
通过对这些参数的分析，可以评估流化床的性能，进而优化流化床的设计和操作。
此外，还可以对流化床的内部流动特征进行研究，如颗粒的运动规律、颗粒间的碰撞等，以深入理解流化床的工作原理。
5. 研究的局限性与展望通过基于Fluent软件对流化床的气固两相流模型的研究，我们可以得到一定的研究结果和结论。
循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟
循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟第 41卷第 3期 2020 年 5月锅炉技术BOIL ER TECHNOLO GYVol. 41, No. 3May. ,2020收稿日期 :2020 205221简介 :王建军 (19712 , 男 , 博士 , 副教授 , 主要从事流态化、多相流分离的研究。
文章编号 : CN3121508(2020 0520021206循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟王建军 1, 李东芳 2, 姬广勤 1, 金有海 1(1. 中国石油大学 (华东机电工程学院 , 山东东营 257061; 2. 海洋石油工程股份 ,河北塘沽 300451关键词 :循环流化床锅炉 ; 双流体模型 ; 气固两相流 ; 数值模拟摘要 :利用 CFD 软件 Fluent , ( 流的宏观流动特性进行了数值模拟。
准确性。
通过定性与定量分析 , , 核” 流动结构及颗粒轴向速度中心处向上 , , 沿轴向炉膛中下部区域及沿同时 , 操作条件对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒向边壁处的气固两相流动规律还有待于进一步研究。
中图分类号 : T K 227. 1文献标识码 : A0前言目前 , 对于循环流化床内的气固两相流主要集中在对循环流化床反应器[1-2]及鼓泡床 [3-4]的研究。
循环流化床锅炉炉膛内和循环流化床反应器内的气固两相流动特性有一定的差别 , 不仅体现在燃烧室的高径比 , 循环系统中采用的颗粒循环流率 , 床料的特性 , 而且循环流化床锅炉有二次风的加入 , 对循环流化床锅炉内气固两相流的研究并不多 [5-6]。
本文以欧拉双流体模型和颗粒动力学理论为基础采用 CFD 软件 Fluent 研究对循环流化床锅炉炉膛内气固两相流动特性的影响进行数值模拟。
1计算模型及数值方法1. 1几何模型及计算条件图 1为整个循环流化床锅炉循环系统几何模型及网格模型 , 模型按照工业装置 12∶ 1缩小得到。
基于FLUENT气固两相流数值模拟与分析
摘 要 ： 以 Ｔ 型 管 道 为试 验 平 台 ， 利用压缩空气输送直 径为 １ ． ２ ｉ ｎ ｒ ｎ的 沙 粒 进 行 气 力 输 送 试 验
。
在 改 变 发 送
流量和发送压力的备件下 ， 利用Ｆ Ｉ ＵＥ Ｎ Ｔ 软 件 对 气 力输 送 过 程 进 行 数 值 模 拟 分 析 ， 得 到 分 支 管 道 中压 降 与 气 固 两
。
数
值模拟 结果与试验结果相符 ， 为 气 力输 送 的进 一 步研 究提 供 了相 关依 据 。
关 键词 ： 气 力输 送 ； 数 值模 拟 ； Ｆ Ｉ ＵＥ ＮＴ 软 件 ； 压 降； 体 积 分 数
中图分类号 ： ＴＱ ０ ２ ２ ； ＴＨ２ ３ ２ 文献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ６ ９ ６ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ — ６ ９ ５ ２ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ０ ２
２ ． Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈｉ ｎ ａ Ｆｕｓ ｈｕ ｎ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈｅ ｒ ｎｉ ｃ ａｌ Ｃｏ ｎ 声“” ｒ Ｒ ｎｅ ｒ ｙ Ｎ ｏ． ２，Ｆｕｓ ｈｕ ｎ Ｌｉ ａｏ ｎｉ ｎｇ ｌ１ ３ ０ ０４，Ｃｈ ｉ ｎａ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｅ ｐ ｎｅ ｕｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｔ ｅ ｘｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｓ ａ ｎｄ ｏ ｆ １ ． ２ ｍ ｍ ｗｅｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏｕ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｃ ｏｍ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｉ ｒ ａ ｓ
基于 Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ气 固两 相 流 数值 模 拟 与 分 析
高德 真 ，李佳 璐 ，李德 臣 ，刘 姝 ，王 晓 宁
基于Fluent的旋风分离器气固两相流数值模拟
基于Fluent的旋风分离器气固两相流数值模拟郝睿源【期刊名称】《《新技术新工艺》》【年(卷),期】2019(000)010【总页数】5页(P35-39)【关键词】旋风分离器; 气固两相流; 数值模拟【作者】郝睿源【作者单位】西南石油大学机电工程学院四川成都 610500【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8旋风分离器内部流场较为复杂，属于典型的三维湍流强旋流场，具有非线性、时变性等特点，而颗粒在旋风分离器内的运动则更为复杂。
若想更好地提高旋风分离器的分离性能，就需要深入研究旋风分离器内气固两相流的流动情况。
主要存在3种研究方法：计算流体力学法、实验法和理论分析法。
早期对旋风分离器的研究基本都是理论分析法，为了能够更简便地了解旋风分离器的气固两相流情况，很多学者[1-2]都提出了各种各样的研究假设，所得出的理论研究结果与实际情况存在着一定的差异；而后又有较多的学者通过实验方法来对旋风分离器的分离机理进行研究，并将理论模型与实验数据进行拟合，进而得出了一系列的经验模型，但这些经验模型无法通用于全部类型的旋风分离器，只能对有限的问题进行解决。
计算流体力学法则是近年来随着计算机技术、数值计算方法发展起来的一种研究方法，目前已经取得了较快的发展。
有鉴于此，本文通过建立正确的CFD数学模型，应用Fluent软件来对旋风分离器内气固两相流进行数值模拟研究。
1 数值模拟1.1 几何模型的建立和网格的划分采用ANSYS DM(design model)建模，为了准确反映旋风分离器内部实际的流场情况，对几何模型未作任何简化，保持其几何尺寸与实验结构尺寸完全一致(见图1)，将排尘口的中心处设置为坐标原点，沿着旋风分离器中心轴线向上的方向为z 轴正方向。
而数值计算的关键步骤在于网格的划分，网格划分也是流场数值模拟的前处理过程，最终计算结果的精度会直接受到网格质量的影响，若网格质量较差，还有可能会导致最终计算结果出现严重的失真现象。
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学位授予单位:重庆大学
被引用次数:2次
1.张锐流化床气化炉气固两相流三维数值模拟[期刊论文]-黑龙江电力 2013(4)
2.朱博.王强.郭慧军.张潇玲.杜明俊基于双欧拉模型的流化床气固两相流场数值模拟[期刊论文]-大庆石油学院学报 2011(3)
引用本文格式:李东耀基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究[学位论文]硕士 2009
重庆大学
硕士学位论文Leabharlann 基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究
姓名:李东耀
申请学位级别:硕士
专业:动力工程及工程热物理
指导教师:郑忠
20090601
基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究