气固流化床内颗粒流体两相流CFD模拟

1、本页为“4毕业论文任务书（共1页或2页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。气固流化床内颗粒流体两相流CFD模拟 摘 要气固流化床因其优秀的操作性和泛用性，在工业方面上有着诸多的应用，既可以实现气固相之间的物理过程如传热、传质、运输、吸附等，也可以作为反应器，通过流态化技术加速化学反应如燃烧、合成、裂解、气化等。而多相流动作为气固流化床的核心机理，是发展和改良气固流化床，取得更多经济效益的关键点。但由于多相流组分间复杂的运动与相互作用，无法通过纯粹的理论知识来求解实际问题。随着计算机技术和硬件的发展，借助计算机研究气

2、固两相流的流动问题已有良好的结果，甚至可能为工业放大流化床提供依据和条件。本文通过建立气固流化床CFD模型，在同一模型的条件下，控制单一变量，对气固流化床系统进行敏感性分析。Fluent软件是世界上功能最全面，使用最广泛的CFD软件之一，其可根据计算结果调整网格精度，且网格生成程序相当有效，因此选用Fluent作为本次实验的计算软件，ICEM-CFD作为网格划分软件。本文采取欧拉-欧拉双流体模型，着重研究颗粒碰撞恢复系数，湍流模型，相间曳力模型，入口气速，初始床高，气相种类，固相粒径，固相密度八个运行参数或封闭模型。通过对床层压降云图，固含率云图等数据比较，颗粒碰撞系数在以上运行条件中影响最小

3、，而固相的密度、粒径，气相气速等运行参数均对计算结果影响巨大。通过对Fluent和ICEM等CFD软件的学习和模拟，能够促使我们更加深刻知悉气固流动的机理，同时确定流化床系统性能的主要影响因素，为气固流化床的优化及设计提供一定的帮助。关键词：气固流化床，颗粒拟流方法，控制变量法，压力云图，固含率云图 本页为“6毕业论文Abstract（1页或2页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。CFD simulation of gas-particle flow in gas-solid fluidized bedAbstra

4、ctThe gas-solid fluidized bed is widely used in industry due to its excellent operability and generality. It can not only realize the physical processes between gas and solid phases, such as heat transfer, mass transfer, transportation, adsorption, etc. As a reactor, chemical reactions such as combu

5、stion, synthesis, cracking, and gasification are accelerated by fluidization techniques. As the core mechanism of gas-solid fluidized bed, multiphase flow is the key to develop and improve the gas-solid fluidized bed. However, due to the complex motion and interaction among the components of multiph

6、ase flow, it is impossible to solve practical problems based on theoretical knowledge alone. With the development of computer technology and hardware, the research on gas-solid phase flow by computer has achieved good results, and even can provide basis and conditions for industrial scale-up fluidiz

7、ed bed. Under the condition of the same gas-solid fluidized bed CFD model, control variates is taken to analyze the sensitivity of the gas-solid fluidized bed system in this paper.Fluent software is one of the most widely used and comprehensive CFD software. It can adjust the grid according to the c

8、alculation results. The grid generation program is very effective. Therefore, in this experiment, Fluent is selected as the calculation software and ICEM-CFD as the mesh generation software. In this paper, we adopt the Euler-Euler model to study the seven operating parameters about particle collisio

9、n coefficient, drag model, inlet gas velocity, initial bed height, gas type, particle diameter, and solid density. Compared with the value of pressure drop and solid volume fraction, the particle collision coefficient has the least influence on the above conditions, while the density, particle size

10、and gas velocity of solid phase have influence on the calculation results obviously.We hope that the study and simulation of CFD software such as Fluent and ICEM can promote us to understand the mechanism of gas-solid flow more deeply and sum up the main factors of the fluidized bed system in order

11、to provide some help for the optimization and design of gas-solid fluidized bed.Key Words：gas-solid fluidized bed， Euler-Euler model， control variates， pressure contour，volume fraction contour本页为“7毕业论文目录（1页或若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。目 录摘 要IAbstractIII1 引 言12 绪论22.1

12、 流化床发展历史与基本原理概述22.2 气固流化床数值模拟方法简介32.3 文献综述42.4 本数值模拟实验的意义及内容53 流体控制方程及相关流化特征参数计算73.1 气固流化床二维模型简介73.1.1 流化床物理模型及网格划分73.1.2 数值计算模型及参数说明83.2 控制方程93.3 相关流化特征参数计算103.4 本章小结124 对该气固流化床模型的研究及分析134.1 对气固流化床计算模型的研究及分析144.1.1 颗粒碰撞恢复系数144.1.2 相间曳力模型174.1.3 湍流模型184.1.4 本章小结204.2 对气固流化床运行参数的研究及分析214.2.1 入口气速214.

13、2.2 初始床高274.2.3 气相种类294.2.4 固相粒径304.2.5 颗粒密度324.2.6 本章小结335 结 论35参考文献37致 谢39本页为“10毕业论文正文页（若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。1 引 言在各种工业生产中，频繁存在气固两相流动，尤其在像化学工程，能源产业，环境保护等领域中，如火力发电厂中煤粉的干燥、运输和燃烧环节，化石工业中的流态反应床和各类型的除尘设备,流化床内的气力输送和流化等环节，均会产生气固两相流动。气-固两相流动床是经典的瞬态系统，其流动状态随操作条件的改变而不

14、同，从初始的固定床阶段到气力输送床阶段，有着众多时空运动特性。深入探究和挖掘流化床床层不均匀结构和时空运动特性，能对控制和改良流化床运行工况提供有力帮助。因而研究气固两相流动有利于提高化工过程、工业过程效率，降低流化床运行能耗损失，对于节能具有积极意义。当前，人们主要通过历史经验对流化态设备来设计、运行、发展和总结。因而需要进行实验研究，但受限于实验装置和实验条件的制约，实验的成本相对较高，也无法大量获得如流场分布，温度场分布，颗粒速度矢量图等微观粒子的信息。进入二十世纪后，计算机技术飞速发展，软硬件的高速更新换代，数值模拟将会成为研究颗粒流体气固两相流强有力的助手，作为实验的补充手段，体现着

15、越来越重要的作用。气固流化床的研究主要可分为两个方面，一方面通过组装撘建流化床试验台，观察多相流的运动过程，测试和记录相关数据，诸如通过激光多普勒测速仪(LDV),粒子成像速度仪(PIV)来测量流体中颗粒的瞬时速度；用光纤探针，电容探针，荧光示踪技术，X-射线成像系统来测量床层中的瞬时固含率；用压力传感器来获取床层各处的压力参数，这些实验为多相系统的研究积累了大量的经验，并为后来的流化床工程设计提供了参照。另一方面则是综合实验结果，得出关于流化床最小流化速度，初始流化空隙率，床层压降，颗粒流化时的阻力系数等流动特征的半经验公式，并结合分子运动理论以建立气相和固相的运输方程如连续性方程，动量方程

16、，能量方程。借助计算机流体力学可以有效的求解多相流数学模型中所包含的偏微分方程组。实验与计算流体力学的结果可以相互验证，互为补充。为了让流化床系统能更加稳定高效的运行，有必要使用相关CFD软件模拟流化床的运行过程以了解各操作参数对系统的影响，本文的研究由此展开。2 绪论2.1 流化床发展历史与基本原理概述流态化现象在我们生活中十分常见，并且得到了频繁的应用。早在明代，人们开始通过风力卷扬来分离稻谷中的杂质。在1879年，全球首个流态化和技术专利被登记。1921年，德国人Fritz Winkler所在的公司BASF公司组建了Winkler煤气化炉，为全球首个系统运用流态化技术的工业装置，流化床应

17、运而生。十九世纪五十年代以后，流态化技术得到了蓬勃发展，人们对于多相流边界层，空化理论，及喷管流动的理解加深，流化床在工业中的应用范围更加宽广。流化床是由竖直圆筒构成，当中盛有颗粒。床下有气体分散器，气体从床体持续不断的充入让床内的粒子保持悬浮状态。改变气体的气速或流量，床内不断地将产生气泡穿过整个床层并扰动粒子，使得粒子在床层可以充分混合。固体颗粒流态化的产生依赖于流体对其的裹挟，当入口的气速大于颗粒自身的运动速度时，流体会对颗粒施加曳力；当颗粒速度高于气体速度时，流体对颗粒施加阻力。颗粒速度小于气速的受力情况如图1-1所示。图2-1 颗粒在流体中的受力示意图18流化床的流型随着入口气速的增

18、加而逐渐发生变化，输入的流体呈现低速状态时，床内的流体几乎不发生运动，流体从固体颗粒间的缝隙穿过，此时的床层不发生膨胀，这种状态的流化床流型被称为固定床，固定床状态下的床高不变，床层空隙率不变。当气速增大，颗粒开始被流体托举，可以看到部分颗粒在震动，床层高度开始增加，流化床为散式床；速度略微超过最小流化速度时，在床内的所有颗粒开始运动并处于悬浮状态，气泡开始从床层底部产生并逐渐聚集增长，至稀相区开始破裂，流体的压降将转化为对固体颗粒的曳力作用，床层转变为鼓泡床，空隙率也为流化床运行过程中的最小值；气速超过最小流化速度但未达到带走速度(终端速度)时,流化床的状态为节涌床或湍动床，气固两相间流动特

19、征发生巨大变化，流动成为紊乱无序的状态，速度压力等流动特性时刻改变；流化速度超过终端速度时，床层转变为快速流化床，固体颗粒将被气体裹挟出床层，若颗粒没有补充进流化床，流化床床层将被气体完全并夹并消失。当操作气速远大于终端速度时，颗粒进入床内即被告诉流体携带出床。气固流化床流型如图3-1所示。图2-2 气固流化床流型气固流化床在恰当的操作下既可以让床内的流动稳定，便于运输，又可以让相间的运动剧烈，以达到快速换热，提高反应速率的目的。但多相流的流动机理复杂，工业放大颇有难度，限制了气固流化床技术的发展。2.2 气固流化床数值模拟方法简介在工程流体力学的学习中可以知道，拉格朗日法及欧拉方法是描述流体

20、运动过程的基本方法，而气固流化床数值模拟方法同样如此。根据处理固相方式的不同分为欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日法。欧拉-欧拉方法也被称为双流体模型(拟流体模型)，该方法的重点为将大量的固相颗粒处理为连续介质，将颗粒相近似为流体，让颗粒相与流体相在欧拉坐标系下相互耦合渗透，采用同种方式设定颗粒相和流体相。该方法在颗粒相稀少、疏松的情况下，无法满足连续介质的假设，因此在对流化床非均匀结构的表现上，数值模拟会产生失真的情况。尽管欧拉-欧拉方法在描述颗粒自身情况上(如其物理、化学特性的瞬态变化等)，有着明显的缺陷，但它仍是研究多相流最方便的手段。而欧拉-拉格朗日法则是在拉格朗日坐标系下追踪离散粒子的运

21、动情况，在欧拉坐标系下求解平均N-S方程来获取流体相的流动特性。该方法相较于双流体模型，所需的额外条件及假设更少，对于轨迹的求解更加精确，但方法受限于颗粒相的浓度，随着浓度的增加，每个粒子之间的互动、粒子本身的运动轨迹所需的计算量均会大量增加，需要扩大计算机的计算能力，升级计算机硬件设施。2.3 文献综述气固两相流的流动实验和研究由于湍流自身的较短的发展历史和内在复杂性，多相流系统总体来说仍不是一门成熟的学科，主要表现在经验公式和实验数据在学科研究中仍占据主要方面，对于流动过程中的关键参数及物理量缺少泛用性强的统一公式等等。得益于计算机强大的计算能力，气固两相流动的数值模拟发展飞速，且模拟精度

22、更高，模拟结果更加符合实际，气固两相流动的数值模拟已成为挖掘气固两相流动机理和流化特性的有力手段。流化床作为化工行业重要的工程设备，其中含有涉及不同相态或不同组份的物质的复杂的化学反应、混合流动、传热以及传质等问题，研究意义十分重大。因数值模拟具有良好的复现能力和低耗时、低耗费、低危险性等优点，采用计算流体力学作为研究流化床系统流动状态及特性的优秀工具。在气固流化床实验方面，Sutkar2通过改变背景流速和喷口流速，利用粒子成像速度仪(PIV)来确定粒子速度，建立了喷动流化床的射流流型图，确定了射流流型图的八种流动状态。谢俊等3基于欧拉-拉格朗日方法研究了鼓泡流化床煤气化过程,建立了复杂气固流

23、动与化学反应耦合的三维模型。张俊强4在流化床数值模拟通用程序的基础上，完成双重网格程序的开发，即不同精细度网格用于流体或颗粒计算。李振中等6通过理论分析和数值模拟相结合的方法研究颗粒在壁面约束湍流场中所受的各种相间力的相对大小。王淑彦7建立了离散颗粒运动碰撞解耦模型，模型中应用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）模拟颗粒间的碰撞过程。Zhang等8采用了非规则拉格朗日-拉格朗日（ELL）模型，通过系统地研究颗粒物性质、操作气速、初始床层高度、气体分布器设计和流化床大小的影响,来强化煤炭效益过程。苏丁等9对振动流化床模拟广泛采用的气固两相流模型的类型、特点、优缺点及应用现状进行了研究和分析。哈尚10

24、采用非稳态气固两相流双流体模型模拟流化床内气固流动过程。王浩同11以聚烯烃流化床反应器为研究对象，对二维流化床中气泡行为进行CFD模拟，研究颗粒涡及静电对气泡特性、颗粒行为及传热的影响。薛莲金等12基于欧拉欧拉多相流方法，研究了生物质在二维鼓泡流化床反应器中的快速热裂解反应，分析了颗粒流动、传热以及热裂解产物组成的分布规律。Wei等13采用欧拉多相流模型结合p-p阻力模型，改变不同的超高速率和粒径比，对Geldart-A和Geldart-C颗粒的床层膨胀、混合和分离进行了模拟。晁东海等14采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法，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。

25、刘阳等15基于分子动力学和气固两相流体动力学，建立流化床稠密气-固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型。张永民等16用实验方法比较了一个二维床和一个大型三维床内FCC颗粒流化床在鼓泡域和湍动域内的流化质量和气体返混特性。范怡平等17着重关注颗粒相质量守恒在工业上的应用，阐述并分析气/液-固两相流中微观颗粒时间平均速度的物理意义，并总结提炼了分析颗粒相质量守恒的模板。刘向军等19简述和介绍了颗粒轨道模型中的算法及应用。张锴等20提出了一个基于欧拉-欧拉双流体理论的简化数学模型。从基本的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理出发，描述冷态流化床内流体相和固相的控制方程组。2.4 本数值模拟实验的意义及内容总结

26、前人学者的工作能够得出，气固流化床CFD模拟中可使用的模型众多，且没有同一标准，对于其结果无法做合理的评价和判断，而选择实验作为结果，虽然可以提高所得结果的准确性，但需耗费大量资源和时间。本实验着重于在同一数值建模下，通过不同参数变化和模型改变，进行参数敏感性分析，得到气固流化床一系列的流动特征及总结并验证流化床运动规律。内容如下所示：第一章节，简要说明流化床的相关应用，现有流化床大致研究方向及其缺陷，以及采用计算流体力学的原因。第二章节，介绍流化床的基本原理、流化床数值方法的种类和国内外历史研究发展、流态化技术的优缺点。在第二章中着重介绍流态化的流型与气速之间的关系。第三章节，展示流化床的物

27、理建模及网格划分的精细程度，网格质量，确定数值模拟的边界条件和初始参数。阐述流化床的控制方程，并通过近似计算法计算诸如最小流化速度，床层压降，雷诺数，空隙率等相关流化特征。第四章节，主要为收集并汇总数值模拟结果，进行横纵向的对比，得到主要的流化床系统影响因素，并分析该气固流化床数值模拟实验中存在的不足。3 流体控制方程及相关流化特征参数计算3.1 气固流化床二维模型简介3.1.1 流化床物理模型及网格划分为了求解方便，模拟计算使用的气固流化床为简化的二维模型，图6-1D为流化床直径，H为流化床设计床高，Hmf为流化床初始流态化的床层高度。完成模型的建立之后，需要对模型进行网格划分以便进行有限体

28、积法的计算。本次数值模拟实验将ICEM CFD作为网格划分软件，网格划分应遵循计算精度，计算时间的要求，力求确保实验的精确性。气固两相流动作为复杂的湍流流动，网格精度和质量对实验结果有显著影响。二维流化床物理模型由于可不考虑形状影响，因此可将模型建立为长方形并选用四边形区域网格，将其划分为二维结构性网格，这样生成网格的速度快且质量高。实验中生成的网格数为15081，网格效果如图6-2所示。由于为结构化网格，因此所有网格质量指数均为1，无需对网格进行更多优化。图3-1 气固流化床物理模型简化图与流化床网格图3-2 流化床网格3.1.2 网格无关性检验在本次试验中，划分的流化床网格单元数为9600

29、，为了验证网格无关性，通过改变网格划分软件的全局缩放因子和最大网格体积，获得精度为1.5倍的网格。下图为不同精度的网格结果对比：图3-2 不同网格精度对床层压降的影响从图中看出不同精度网格所造成的床层压降值为200Pa和500Pa，误差约为4%和9%，综合考虑计算时长和网格精度要求，选用单元数为9600的网格进行试验。3.1.3 数值计算模型及参数说明本次数值实验中选择欧拉-欧拉方法，该方法可用于稠密颗粒相中气固流动体系。欧拉-欧拉方法又被称为颗粒相拟流体模型，是将固体颗粒处理为具有连续性，与流体连续相相互渗透的拟流体。该模型可全面体现固体颗粒相的流动特性和运输特点，也可进行大规模的工程计算，

30、对计算能力的要求无需太高，但存在伪扩散和伪收敛的可能。完成模型选择后，流化床设计参数如下。表3-1 流化床参数设计表相关参数符号名称选取的值或模型固体颗粒密度2500/5000/7500kg/m3气相流体密度1.7894/0.082/1.788kg/m3D流化床直径0.2mH流化床高度1.2m流化床初始床高0.3/0.4/0.5m流化床膨胀高度颗粒平均粒径0.0003/0.0006/0.003mu入口气速0.1/0.27/0.4/0.5/1/1.5m/s初始固含率0.55P气体种类空气/氢气/二氧化碳碰撞恢复系数0.85/0.9/0.95最小流化速度0.27m/s颗粒动力粘度模型Syamlal

31、-OBrien曳力模型Syamlal-OBrien/Wen-Yu/Schiller-naumann湍流模型Standard k-/Realizable k-/ Laminar时间步长0.001s最大迭代步数20计算次数3200本次数值模拟采用的边界条件为气固相均为无滑移壁面条件，气相设置为速度入口条件，出口条件保持系统默认，使用SIMPLE算法作为Standard k-湍流模型的相间耦合条件，在收敛参数设置上保持默认，使用一阶迎风格式作为离散化方法。由于固体颗粒的粒径为300m，密度为2500kg/m3，该种颗粒类型为Geldart-B类型。B类型的颗粒气固反混现象较弱，在较低的表观气速下，床

32、层膨胀率较低，便于数值实验的参数设计。若无特殊说明，本文中的图片与表格参数均是从流化床运行3.2s时，温度场300K的状态所得。3.2 控制方程对流场中任意的微元平行六面体，其表面的净质量流量在数值等于其质量对时间的变化率，即流体的连续性方程。 (3-1)在二维条件下转变后为： (3-2)对于气相 (3-3)对于固相 (3-4)其中式中表示固相体积分数，表示气相的体积分数。微元体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体的各力之和，即流体的二维动量守恒方程。二维动量守恒方程： (3-5) (3-6)对于连续相流动而言气相动量守恒方程： (3-7)固相动量守恒方程 (3-8)式中为离散颗粒相对流

33、体的作用力，为雷诺应力。 (3-9)当两相流处于紊乱的湍流态时需要额外的湍流模型使方程得以封闭求解，本文选择标准模型为湍流模型。3.3 相关流化特征参数计算对于Geldart-B类型颗粒，当表观气速达到流化床最小流化速度时，床层将产生气泡，并由固定床向流化床转变。最小流化速度，床层总压降，床层空隙率是流化床研究的关键参数。关于最小流化速度的计算，有Wen-Yu公式与Ergun公式。简化后的Ergun公式如下： (3-10)阿基米德准数表达式如下： (3-11)最小流化速度下的雷诺数，表达式如下： (3-12)为颗粒的球型度，指颗粒近似于球体的程度，表达式如下： (3-13)为颗粒的最小外接球直

34、径，在本文中假设颗粒均为粒径同一的均匀球体，因此取值为1。Wen-Yu公式如下： (3-14)与均为根据实验总结出的经验常数，本文采取Grace组的推荐值,。代入本文所选的假设条件与参数，联立公式3-10，3-11，3-12,3-14，求解以上方程可得该条件下的流化床最小流化速度为0.046m/s，最小床层空隙率为0.3362，雷诺数为0.952。床层膨胀率表达式如下： (3-15)流化床床层压降表达式如下： (3-16)固定床床层压降表达式如下： (3-17)根据公式3-16与3-17，计算床层压降为6362Pa与6501Pa。3.4 本章小结本章主要说明了在模拟气固流化床流动工况前的进行参

35、数设定的过程，以及对流化床物理模型和计算模型的简单介绍，和计算过程中需要关注的要点。其中对于流化床流动特征参数如最小流化速度，床层压降，雷诺数，空隙率等的计算是本章的核心内容。4 对该气固流化床模型的研究及分析使用计算流体力学解决工程实际问题往往需要以下步骤。1. 对工程实际问题进行抽象化处理，降低其复杂性和计算难度。2. 对问题进行预处理，如划分网格，设立边界与初始化条件等等。3. 根据模型建立控制方程和离散方程，找到恰当的控制参数，Fluent软件承担了其中大部分工作。4. 求解方程组获得场量的迭代值。本文根据以上步骤进行求解设定导入模型后，打开多项流设置，采用欧拉和隐式法。在黏度模型选项

36、卡中设定对照组为标准k-湍流模型，在实验中可以改用此选项进行测试。图13-1 多相流选项卡图13-2 黏度模型选项卡相间作用力是流化床数值计算重要的影响因素之一，也是本实验的重点。设定对照组模型为Syamlal-OBrien，在实验中可以改用此选项进行测试。图14-1 相间作用力选项卡完成流化床气-固相的物理特性(运动粘度，密度，粒径，温度)和初始条件(气速)设定后，开始离散化初始条件，最终流化床的计算模型如下图13-2。图14-2 流化床计算模型4.1 对气固流化床计算模型的研究及分析4.1.1 颗粒碰撞恢复系数颗粒碰撞恢复系数定义为在两物体碰撞接触面的法线方向上，物体的分离速度与接近速度之

37、比。对于非完全弹性碰撞，完全弹性碰撞，完全非弹性碰撞。本文中选取的碰撞恢复系数为6组，研究在较高气速下与较低气速下，弹性恢复系数对流化床运行状态的影响。该实验的对照组参数设置为Fluent中的默认值0.9，即表14-1中的实验6与实验3。表14-1颗粒碰撞恢复系数实验组实验编号颗粒平均粒径(m)流体种类颗粒密度(kg/m3)最小流化速度(m/s)入口气速(m/s)弹性恢复系数(无量纲)曳力模型湍流模型床层总压降(Pa)10.0003空气25000.046310.95Syamlal-OBrienstandard k-449020.0003空气25000.046310.85Syamlal-OBri

38、enstandard k-708230.0003空气25000.046310.9Syamlal-OBrienstandard k-500040.0003空气25000.04630.50.95Syamlal-OBrienstandard k-534350.0003空气25000.04630.50.85Syamlal-OBrienstandard k-595060.0003空气25000.04630.50.9Syamlal-OBrienstandard k-5551不同碰撞恢复系数的固含率云图与压降云图如下：图14-1速度为1m/s下的压降云图(从左到右恢复系数分别为0.95/0.9/0.85)图

39、15-1速度为1m/s下的固含率云图(从左到右恢复系数分别为0.95/0.9/0.85) 图15-2速度为0.5m/s下的压降云图(从左到右恢复系数分别为0.95/0.9/0.85)图15-3速度为0.5m/s下的固含率云图(从左到右恢复系数分别为0.95/0.9/0.85)图14-1和图15-1均可以说明床层膨胀高度随着恢复系数的增大而增加，在图15-2中可以明显的看出较高碰撞恢复系数的床层压降分布更加均匀，较低碰撞恢复系数的床层压降分布受到床内的影响较大。在表观气速为0.5m/s的条件下(实验4,5,6),根据床层压降的变化可以发现规律：伴随着颗粒碰撞恢复系数的增高，床层压降也逐渐减小，但

40、在表观气速为1m/s的条件下，床层因颗粒恢复系数的不同而产生了巨大改变。分析其原为颗粒碰撞恢复系数的减少会导致颗粒损失的能量增多，颗粒的脉动动能增加，将会产生更多气泡，床层的压力波动更加无序，因而压降增大，该结果与M. J. V. Goldschmidt所得结果(图15-1)24一致。图16-1不同恢复系数下的压力波动表观气速在1m/s时，由于高恢复系数的颗粒相互碰撞的损耗减小，因此颗粒的团聚性削弱，更容易被流体裹挟，流化床更可能进入气力输送的阶段，床层膨胀高度超过流化床床高，导致实验中的大部分的颗粒脱离床层，使得床层整体空隙率增大，固体颗粒相减少，高恢复系数床层的压降异常改变。4.1.2 相

41、间曳力模型当物体在粘性流体所组成的流场中运动时，会受到来自流体的切应力与压力。力的效果可以分为两类，升力与阻力(或曳力)，升力与流体的来流方向垂直，阻力(或曳力)与来流方向一致，阻力与曳力的区分点在物体与流体的相对速度。颗粒真实速度大于气相的表观速度时，颗粒受到阻力作用，若其真实速度小于流体表观速度时，受到曳力作用。除了流动阻力外，马格努斯旋转提升力，萨夫曼剪切提升力，压力梯度力，热作用力，虚拟质量力，范德华斯力等也会对气固悬浮系统造成影响。甚至对于稠密多相流系统而言，颗粒间的相互作用力，颗粒运动对流体耦合均造成的影响。由于曳力为气固两相间相互作用的关键参数，本文为降低多相流内部复杂性，主要考

42、虑相间曳力作用，并忽略其他作用力。本文测试的相间曳力模型包括fluent默认模型schiller-naumann，Syamlal-OBrien模型，Wen-Yu模型。Syamlal-OBrien模型与Wen-Yu模型均依赖于颗粒相体积分数，且只能用于稠密离散相模型。实验条件如下表16-1所示。表17-1 相间曳力模型实验组实验编号颗粒平均粒径(m)流体种类颗粒密度(kg/m3)最小流化速度(m/s)入口气速(m/s)弹性恢复系数(无量纲)曳力模型湍流模型床层总压降(Pa)10.0003空气25000.04630.50.9schiller-naumannstandard k-560020.000

43、3空气25000.04630.50.9Wen-Yustandard k-449530.0003空气25000.04630.50.9Syamlal-OBrienstandard k-5551图17-1不同曳力模型的固含率云图(按表中顺序排列)图17-2不同曳力模型沿轴向的压力梯度图(按表中顺序排列)从图17-1不同曳力模型在同一气速下的表现有着明显的差异，甚至流态也会发生改变，对于schiller-naumann模型，其流化床流型仍处于鼓泡床。比较Wen-Yu与Syamlal-OBrien可以发现，Wen-Yu模型下的乳化颗粒相与流体相边界分明，层次清晰；而则是部分颗粒性与流体相已经融合交织。分

44、析压力梯度图可发现，Wen-Yu模型下的气流扰动更加强烈；schiller-naumann下的床层发生了小幅的沉降，床层压力随床高线性变化。通过对比不同曳力模型的床层压降可发现，Wen-Yu模型计算的压降值最小，但波动最大；schiller-naumann模型下压降值几乎不发生波动；Syamlal-OBrien模型的情况介于两者之间，与Wen-Yu模型更为接近。分析schiller-naumann模型不同于其他模型的原因可能为：schiller-naumann模型作为Fluent的默认模型，普适性更高，但对于特定问题的求解则会产生一定的误差。4.1.3 湍流模型由于流体的湍流状态经常出现在工程

45、应用中，流体的湍动特性研究一直被高度关注。实验证明，流体的雷诺数在某个区间时，流体状态为层流，内部的流体层均稳定流动。而当雷诺数突破临界值时，各项流动参数开始无序变化，稳定的边界条件无法让流动保持稳定，此种状态即为湍流流动。从物理学意义上来讲，不同尺度，不同大小，不同方向分布的涡叠合组成了湍流。流动的边界条件和流体粘性是大尺度涡与小尺度涡产生的原因。通过涡间的相互作用，不同的涡不断破碎，形成更小的涡，直至能量完全耗尽，但因流体的扰动，速度梯度，边界条件的存在，新的涡又会不断从主流中诞生，形成涡的循环，湍流运动由此产生。本文为研究湍流模型对计算结果产生的影响，选用Realizable k-模型，

46、Laminar模型，standard k-模型进行比对。Realizable k-模型与standard k-模型均可归类于k-模型。k-模型主要求解湍流动能k与湍流动能耗散率，将其代入半经验运输方程，计算流场参数。k-模型因其较低的内存要求、高的收敛速率、优秀的鲁棒性，在工程上广泛应用。但k-模型中的湍流动能耗散率并非由物理规律严格验证推导，且该模型对强曲率流动、喷射流的模拟不尽如人意。为了选择更加优秀的计算模型，有必要探究该模型条件在流化床运行时发挥的作用。表18-1 湍流模型实验组实验编号颗粒平均粒径(m)流体种类颗粒密度(kg/m3)最小流化速度(m/s)入口气速(m/s)弹性恢复系数

47、曳力模型湍流模型床层总压降(Pa)10.0003空气25000.04630.50.9Syamlal-OBrienRealizable k-539020.0003空气25000.04630.50.9Syamlal-OBrienLaminar561030.0003空气25000.04630.50.9Syamlal-OBrienstandard k-5551不同湍流模型的压降云图与固含率云图如下所示 图19-1湍流模型压降云图(从左到右分别为Realizable k-/ Laminar/ standard k-)图19-2湍流模型固含率云图(从左到右分别为Realizable k-/ Laminar

48、/ standard k-)由表18-1的数据得知Laminar模型产生的压降最大，standard k-模型次之，Realizable k-模型最小。总体来看各模型结果压降值差距不大，Realizable k-模型的压力分布更加宽广，气泡数较其他模型也较少；层流模型扰动频繁，且固体颗粒相大多依附于流化床壁面，产生较多的涡流。层流模型的气泡相与乳化相的边界清晰分明，大部分颗粒聚集成团，聚合性更佳；standard k-模型的情况介于两者之间。分析以上结果可知，Laminar模型可能并未采取壁面函数法，导致壁面对流动影响与其他模型不同，呈现出结果的差异或是层流模型只适用于低雷诺数的流动，且对于气

49、固颗粒混杂穿透的情形预测效果不佳。4.1.4 本章小结探究流化床计算模型对流化床工况的影响，本质是对流动复杂的内在机理的摸索，多次迭代放大了不同的计算机制的差异，因而不同的流动模型可能呈现的计算结果天差地别。完成多组实验后，分析及研究气固流化床计算结果后所得到的规律有如下几点：1. 床层膨胀高度随着恢复系数的增大而增加，较高碰撞恢复系数的床层压降分布更加均匀，较低碰撞恢复系数的床层压降分布受到床内的影响较大。2. 不同曳力模型在同一气速下的表现有着明显的差异，甚至流态也会发生改变。Wen-Yu模型下的乳化颗粒相与流体相边界分明，层次清晰；而其他模型下颗粒相与流体相已经融合交织。对比不同曳力模型

50、的床层压降，schiller-naumann模型下的床层发生了小幅的沉降，床层压力随床高线性变化，床层不发生波动。Wen-Yu模型计算的压降值最小，但波动最大，气流扰动更加强烈；Syamlal-OBrien模型的情况介于两者之间，与Wen-Yu模型更为接近。3. 采用各湍流模型产生的床层压降从高到低排列为Laminar模型，standard k-模型，Realizable k-模型。总体来看各模型结果压降值差距不大，Realizable k-模型的压力分布更加宽广，气泡数较其他模型也较少；层流模型扰动频繁，且固体颗粒相大多依附于流化床壁面，产生较多的涡流。standard k-模型的情况介于两

51、者之间。4. 可以看出碰撞恢复系数，曳力模型，湍流模型均对流化床的运行工况造成了影响，这种影响可被流化床运行参数(如操作气速)进一步放大或缩小。5. 在对实际工程应用中，需要根据限制条件灵活地调整各相间作用模型，对于本文的模拟情况而言，设定碰撞恢复系数范围为0.85-0.9，选择曳力模型为Syamlal-OBrien模型，采用湍流模型为Realizable k-模型，可以取得优秀的模拟结果。4.2 对气固流化床运行参数的研究及分析4.2.1 入口气速流化床的流态由颗粒相的受力情况决定，而颗粒的受力则是重力，升力与曳力的合作用力。流化床所受阻力在雷诺数处于700至2x105时与两相的相对速度呈二

52、次相关，在斯托克斯定律区与相对速度呈线性相关。探索流化床入口气速对压力的特性、找到临界流化气速，对正确、高效的操作流化床具有重要的价值和意义。前人通过空气与沙砾进行流态化操作得到了流化床阻力损失与流速的关系(图20-1)，以此基础上，定性定量的分析入口气速对流化床系统的影响。图20-1 B类颗粒流态化曲线由本文第二章第一节可知，流化床流型随流体气速改变而变化。在本文的第三章计算出对照条件下的流化床最小流化速度为0.0467m/s。根据该参数完成初始流态化的实验。实验结果如图20-1，20-2，20-3。 图20-2 流化床初始流态化下的压降云图与Y轴方向的压力分布散点图图20-3流化床初始流态

53、化下0s与3.2s的固含率云图 图20-4流化床初始流态化下的速度梯度云图与矢量图在表观气速为0.047m/s的条件下，运行3.2s内发生的过程为，床层开始发生沉降，坍缩一定高度后稳定，由此流化床整体固含率升高。从图20-2的压降曲线可以看出坍缩后的床高为0.34m，下降了0.06m左右，从图20-3中可以发现整体固含率从0.55升高至0.63；流化床稠密相与稀相的分界面产生微小波动，但分界面在床层中的位置不发生改变。此时的两相流流型既可看做固定床也可视为为流化床，在固定床阶段，床层任意高度的压降等于该高度下床层所受曳力之和，同样可理解为床层压降与床层高度线性相关。图20-4可以根据云图和矢量

54、图得到，流体与颗粒相在壁面与浓稀相分界面的，且流体的速度在分界面上下呈对称分布。分析流体在交界处形成大量聚集的原因为：从床层下部均匀送入，受到壁面的作用，随着流动与壁面摩擦造成的损失愈加严重，流体逐渐向床层中心聚拢。当流体即将从稠密颗粒相进入稀相时，受到分界面的影响，产生涡旋。从实验中得到的床层的压降为5400Pa，与第三章的计算结果6362Pa的误差接近18%，说明理论所推导的压降偏高。但对最小流化速度值，理论预测与实验模拟的结果十分接近。图21-1 入口气速为0.047m/s与0.1m/s的固含率云图图21-2 入口气速为0.1m/s的动压散点图从图21-1可以看出表观气速增大一倍，流化床由固定床开始转为鼓泡床，鼓泡床的气泡沿流化床壁面攀升，超过床高后破灭，而固相表现出流体特性，且浓度分布呈轴向对称，床层中心开始波纹状震动并乳化，根据计算模拟的流化床固含率动画推算气泡的生成周期为1.6s。图21-2的散点图说明流体因运动产生的压力值在规律波动，这与流化鼓泡床的描述和规律是一致的。为了探讨和完备流态化曲线，本文设计了两大组，十四小组实验。第一