大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟

上海理工大学学报第32卷 第4期J.University of Shanghai for Science and TechnologyVol.32 No.4 2010文章编号:1007-6735(2010)04-0333-07收稿日期:2009-11-02基金项目:上海市浦江人才计划资助项目(07pj14072);上海市重点学科建设资助项目(J50501) 作者简介:晁东海(1985-),男,硕士研究生. E ma il:x yguo@大颗粒气固流化床内两相流动的CFD 模拟晁东海, 郭雪岩(上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)摘要:采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动,考察了大颗粒流化床流化和流动特点,颗粒体积分率分布,床层压力瞬时变化,床层碰撞比,以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律.研究结果表明,与直型布风板流化床比较,凹型布风板流化床内的气泡产生快,颗粒横向运动能力强;随着颗粒密度的增大,其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快;比较3种曳力模型,发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异,且与床层膨胀比实验关联式相比,3种模型预测的值比实验关联式要大一些.通过研究,3个曳力模型中Gidaspow 模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟.关键词:流化床;欧拉双流体模型;并行计算;大颗粒中图分类号:TQ 051.13 文献标志码:ACFD simulation on two phase flow in gas solidfluidized beds with coarse granulesCH AO Dong hai, GUO Xue yan(School of En er gy an d Pow er En gin eering ,Un iversit y of S han ghai for S cienceand Technology ,Shanghai 200093,Chin a )Abstract:Eulerian pseudo fluid model combined with the granule kinetics model,by integrating them in a CFD code(Fluent 6.3)was used to numerically simulate the gas solid flow patterns in fluidized beds of coarse granules.Different conditions including particle density,distributor types and drag models were taken into account for paramter study.The dependance of characteristics of fluidization and flow patterns,as well as the influences of phase fraction distribution,instantaneous pressure,radial particle velocity,expansion ratio and axial voidage distribution,on the parameters were thoroughly investigated.Simulation results show that two phase flow characteristics in the bed with a concave distributor is rather different from that in the bed with a flat distributor.For ex ample,bubbles will occur so oner and more particles move laterally in the concave distributor bed.It is also found that for larger solid gas density ratio,particle velocity profile near the wall becomes much flatter in the concave distributor bed.A comparison among the Syamlal O Brien,Gidaspow and Arastoopour models illustrates that the predicted axial voidage distributions and pressure drops by the three models are very different.Numerical prediction based on all the three drag models un derestimates the bed expansion ratio,comparing with the published experimental correlation.It can be concluded that numerical results based on Gidaspow drag model are of the least deviation in the上海理工大学学报2010年第32卷simulation of gas solid fluidized beds with coarse granules.Ke y words:flu idized bed;eu ler ia n pseudo fluid two fluid m odel;pa r allel com pu ta tion;coar se gr an u les近年来,随着流态化技术的发展,大颗粒流化床在煤粉流态化燃烧和水泥熟料流态化煅烧等领域的应用也越来越广泛.由于流化床内两相流动情况复杂,使得人们对气固两相间的作用、固相应力本构方程的建立、两相湍流的认识以及多种因素的相对控制和协调的理解等变得很困难[1].实际上大多数流化床反应器都是根据经验设计的,大颗粒流化床的设计更是如此.文献[2]在研究颗粒的粒度及颗粒的表观密度等对流化特性影响后,将颗粒分成了A(30~100 m)、B(100~600 m)、C(一般情况下粒度小于20 m)、D(600 m以上)4类[3].依据此分类,粒度在600 m以上的颗粒称为过粗颗粒.然而由于颗粒的表观密度与气体密度之差不同,本文所用颗粒直径为855 m可能为B类(鼓泡颗粒),也有可能为D类(喷动用颗粒).其中,D类颗粒流化时极易产生大气泡或节涌,使实验难以操作,然而数值模拟可以克服这一困难,而且D类颗粒粒度在1.5mm以下时,是完全可以流化的[3].文献[4]用粒径为3mm的颗粒进行了模拟与实验,研究了气体进口速度和温度对床内含湿量、颗粒温度等的影响,得出模拟与实验的结果大体是一致的.文献[5]研究了表观气速、床内有无管道及布风方式对大颗粒流动的影响.模拟和试验的结果都表明,布风方式对颗粒体积分率及速度径向分布有着很大的影响,而且不论有无管道,某些布风方式都有助于气固形成环核流动结构.文献[6]通过改变颗粒粒径(从0.25mm到1mm)、密度、进口气速等参数后进行了模拟,结果表明:颗粒的粒径和进口气速对颗粒滑移速度的影响较大;合适的进口气速对减少能耗起着很重要的作用.本文借助CFD软件FLUENT对大颗粒气固流化床进行了模拟计算.对比并分析了不同密度颗粒、曳力模型及布风装置对流化床流动特性的影响.有些曳力模型采用UDF(用户自定义函数)实现.通过这些研究,从数值计算的角度揭示出了一些大颗粒的流化及流动特性.1 控制方程及曳力系数模型1.1 流体控制方程由于气固间没有质量交换,且升力、附加质量力等对流化床的影响很小,故气固两相流动所遵循的连续方程和动量方程可以简化成如下形式:连续方程t(g!g)+ (g!g v g)=0(1)t(p!p)+ (p!p v p)=0(2)式中,是体积分率,v是速度,!是密度,下标p表示固相,g表示气相.动量方程t(g!g v g)+ (g!g v g v g)=-g P g+∀g+g!g g+#gp(v p-v g)(3)t(p!p v p)+ (p!p v p v p)=-p P g+∀p+p!p g+#gp(v g-v p)(4)式中,g是重力加速度,P是压力,∀为应力张量,#gp 是气体 流体相间的曳力系数.1.2 曳力系数模型颗粒在流场中受到的作用力包括曳力、重力、浮力和其他作用力(如Basset力、Mag nus力和Saff man力等).若忽略其他力的作用,则可认为气固间作用主要为曳力作用[1].Syamlal O Brien[7]、Arastoopour[8]和Gidaspow[9]等人先后对气固曳力作了大量的研究,并给出了反应相间作用强弱程度的曳力系数,如下所示:Gidaspow模型曳力系数#gp=34(1-g)g!g v g-v pd pC D0-2.7g(g!0.8)(5) #gp=150(1-g)2g d2p+74(1-g)!g v g-v pd p(g<0.8)(6)式中,C D0是单颗粒曳力系数.Syam lal O Br ien模型曳力系数#gp=3(1-g)g!g v g-v p2334第4期晁东海,等:大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟式中,V r=12[a-0.06Re+(0.06Re)2+0.12Re(2b-a)+a2],Re=v g d p!g/ g,d p为颗粒直径, g为气体黏度.a= 4.14g,g∀0.85时,b=0.8 1.28g;g>0.85时,b= 2.65g.Arastoopour模型曳力系数#gp=(1-g)-2.8g!g v g-v pd p17.3Re+0.336(8)1.3 床层膨胀比床层膨胀比及床层膨胀率可按照吴占松等[10]的经验公式求得Ra=1-mf1-f(9)其中,操作条件下流化床层的空隙率f=Ar-0.21(18Re+0.36Re2)0.21阿基米德数Ar=d p3!g(!p-!g)g2g下标m f表示临界流态化.2 流化床几何结构和模拟参数设定图1(a)、(b)分别给出了两种不同布风板流化床的几何结构.两个流化床的床高和床宽分别为1.2m和0.186m(其中,凹型布风板的圆心距离床底0.116m).由于计算需要在一组离散的网格点上进行,所以模拟采用了GAM BIT2.2.30(Fluent公司,美国)进行网格生成.与表1等人相比,网格不但比其他的要小得多,而且数目也多.为了提高数值计算的速度,本次模拟使用了基于Linux操作系统的联想并行机进行求解计算.求解器采用Fluent 6.3.26(Fluent公司,美国),并选取∃-湍流模型及速度 压力耦合的#SIMPLE∃算法.初始时固定床床层的高度H为0.372m,固相体积分率为0.622,最大时达到0.65.流化床床内无任何构件,气体的密度为1.225kg/m3,黏度为1.785%10-5,颗粒直径为855 m.流化床的边界条件为:两壁面均假定成无滑移,下部为气体匀速进口,速度大小为1m/s;上部为压力出口,表压为0.依据颗粒动力论,将固相压力及黏度分别选用Lun et al和Syam lal O Brien模型,并把颗粒的弹性恢复系数假定为0.90(1代表完全弹性碰撞,0则表示完全非弹性碰撞).图1 流化床的几何结构Fig.1 Geometric structure o f the fluidized bed s表1 网格对比Tab.1 Co mp arison o f grid s作者X方向网格大小/m m,%xY方向网格大小/mm,%yZ方向网格大小/mm,%zX方向网格数Y方向网格数Z方向网格数文献[11]1010902626120文献[12]55-30200-文献[13]7.6276.2- 1072- 文献[14] 6.33 6.3318.753030160本文直型布风板 1.8612-100100-本文凹型布风板 1.866-100200-3 结果与讨论3.1 布风方式的影响图2(见下页)描述了颗粒在直型布风板流化床内不同时刻的体积分率分布.可以看出,流化床内部可以分为底部床层和上部自由空间.0s时颗粒静止地堆积在床底,当匀速气体从进口流进时,床内逐渐形成了典型的中心区颗粒体积分率小,边壁区颗粒体积分率大的环 核流动结构[15],图2中0.3s~0.6 s时间内显示了其部分变化过程.从图2中0.5s~ 1.117s可看出,气泡主要在床中心与壁面之间的区域内产生与上升.随着气泡的上升其形状和大小都在发生变化.在1.117s气泡发生破裂,颗粒被抛入335上海理工大学学报2010年第32卷自由空间.图2 直型布风板流化床瞬时颗粒(!p =906kg/m 3)体积分率的分布Fig.2 Instantaneous so lid(!p =906kg/m 3)volume fraction in the fluidized bed s with flat distributor图3显示了颗粒在不同时刻速度矢量场.其中t 表示时间,颗粒密度为2000kg /m 3,最右端t =2.5s 为床层表面情况,其他的均为床层底部.通过图形可以看出,随着时间变化,直型布风板流化床中颗粒及团聚物逐渐有了横向运动.除了t =0.2s 主要是由于重力与床壁作用外,其余都是由气泡引起的.t =0.5s 气泡在床层底部的产生;t =2.5s 气泡在床层底部的扰动及表面的抛洒作用.由此得出,气泡对流化床内颗粒及团聚物的横向运动有着重要的影响.图3 颗粒速度矢量图Fig.3 V elocity vector o f particles图4是凹型布风板流化床颗粒体积分率分布.可以看出,颗粒平行上升了仅0.08s,分布板上再次聚集了一层颗粒.与直型布风板流化床相比,由于颗粒重力及气体进口速度水平分量的影响,在底层中间位置形成了相对比较厚的颗粒层.也正是此原因,使得中间气体穿越这厚颗粒层后速度大大降低,这就加剧了其上方颗粒的下降,加速了床层在上升的过程中形成气泡.结合图2和图4,还可清楚地发现,直型布风板流化床里开始出现气泡的时间大概是在0.5s,颗粒体积分率分布开始出现明显不对称时刻大约在1.67s,而凹型分布板分别是0.33s 和1.5s,比相应的直型布风板流化床的时间都短.显然,横向对流混合起到了明显的作用.图4 凹型布风板流化床颗粒(!p =906kg/m 3)体积分率瞬时的变化Fig.4 Instantaneo us solid (!p =906kg/m 3)vo lume fractio n in the fluidized b ed s with co ncave distrib uto r流化系统中的流动结构不仅呈现局部非均匀性,而且呈现整体非均匀性.局部非均匀性表现为稀相和密相在同一点交替出现;整体非均匀性表现为系统内部不同空间位置可以出现稀相或密相两种完全不同的结构[1].图5显示了流化床内颗粒体积分率瞬时分布,其中颗粒密度为906kg/m 3,h 为床层轴向位置,H 为固定床高度,r 为床层径向位置,R 为流化床的半径.图中(a)、(c)在初始流化床高度(h/H =1)的中心位置处(r /R =0),(b)、(d)则在靠近壁面处(r /R =0.75).由图5(a)、(b)曲线可知:在直型布风板流化床里,颗粒体积分率在靠近壁面处几乎都在0.25以上波动,在床层中心位置多个时间段内小于0.1,甚至有几段几乎为0,这些说明颗粒和颗粒微团主要集中在靠近床层壁面处,气泡则位于中心位置处.相对直型布风板流化床,颗粒在凹型布风板流化床床层底部有向中心运动的能力,但通过分析固定床高处颗粒体积分率瞬时分布却得知:和直型布风板流化床内颗粒体积分率分布一样,颗粒微团靠近壁面,气泡位于中心处,如图5(c)、(d)所示.3.2 颗粒密度的影响图6显示了在初始流化阶段,不同密度颗粒在凹型布风板流化床内的体积分率分布和流线图.由图可见,随着颗粒密度的增大,其体积分率分布及运动趋势都呈现出了很大的差异.在颗粒密度!p =906kg/m 3时,颗粒体积分率在流化床内主要分布在中心及壁面处.通过云图可知,出现这种现象的原336第4期晁东海,等:大颗粒气固流化床内两相流动的CFD 模拟因是由于流化床内存在两个大气泡。