流化床中颗粒流化运动的直接数值模拟

流化床中颗粒流化运动的直接数值模拟X
袁竹林
(东南大学热能工程研究所,南京210018)
摘　要:流化床燃煤锅炉对环境污染小的原因之一是在燃烧时向炉内加入脱硫剂,脱硫剂与煤颗粒一起沸腾流化,相互充分接触,脱硫剂对燃烧过程中产生的硫化物进行反应吸收。

由于喷入炉内的脱硫物质在粒径和密度上通常与煤颗粒不同,在流化区域上也存在差异。

为了了解不同粒径和密度颗粒在流化床内的运动规律,达到高效、经济的脱硫效果,采用直接数值模拟方法,对粒径和密度呈正态分布的物料在流化床内的流化运动区域进行了研究,得到了相关的结论。

关键词:流化床;颗粒流化区域;直接数值模拟
中图分类号:T K229.66 文献标识码:A 文章编号:1006-8740(2001)02-0120-03
Study on Fluidized Region of Particles Using Direct Simulation Method
YUAN Zhu-lin
(T her mal Ener gy Eng ineer ing R esear ch Inst itute,So utheast U niver sity,N anjing210018,China)
Abstract:Since fluidized bed boiler s have the advantag es o f high co mbustion efficiency and low env ir onmental pollu-tion,develping fluidized bed bo ilers has receiv ed ex tensiv e attentio n.T he physical pr o per ties o f desulphurizing ma-ter ials are usually differ ent fro m coal pa rticles in diam eter and density.In or der to desulphur ize efficiently and eco-nomically,it is significant to study t he fluidized r egion o f bed mat eria ls w it h differ ent diameter s and densities.In t his paper,the fluidized r eg io ns o f par ticles w it h differ ent diamet ers and densit ies wer e st udied using the dir ect nu-mer ical simulation metho d,and r elev ant co nclusions w ere draw n out.
Keywords:fluidized bed;par ticle fluidized reg io n;direct numer ical simulation
流化床燃煤锅炉在燃煤时向炉内喷入脱硫剂(如石灰石),经流化床内颗粒间激烈沸腾混合,脱硫剂与燃烧产生的硫充分接触和反应吸收,以脱硫。

目前发现,脱硫剂利用率与脱硫剂粒径有关,脱硫剂颗粒仅在表层与之反应,因此减小脱硫剂颗粒有利于提高脱硫剂的利用率,降低脱硫成本。

由于喷入炉内的脱硫剂的粒径和密度与煤颗粒不同,因此研究不同直径和密度的颗粒在流化床内的流化运动区域有重要意义。

随着计算机计算速度提高,数值模拟已成为目前研究流化床内气固运动规律的重要方法之一。

鼓泡流化床中的稠密气固两相流动特点是床内的颗粒分布极不均匀,存在着气泡和密集接触的颗粒群,颗粒间存在着激烈的碰撞与摩擦,这对气固流动有重要的影响。

为提高模拟的准确性,在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,直接跟踪离散颗粒场中每个颗粒,在极少的假设下,采用三维湍流气相场加三维离散颗粒场对流化床内不同粒径和密度颗粒的流化运动区域进行了探讨研究[1～3]。

1　流化床内颗粒运动与气相场数学模型
流化床中颗粒主要受到下述力的作用:颗粒与颗粒相互接触所产生的力;颗粒与器壁接触所产生的力;
第7卷(2001)第2期
燃　烧　科　学　与　技　术
JOURNAL OF COMBUSTION SCIENCE AND TECHNOLOGY
V ol.7(2001)N o.2
X收稿日期:1999-09-06;修回日期:2000-10-20。

基金项目:国家自然科学基金重大项目资助(59995460)。

作者简介:袁竹林(1955-),男,博士,教授。

气流与颗粒相对运动对颗粒产生的力;重力。

其中,颗
粒碰撞的力,可按对心碰撞和偏心碰撞的知识求解。

当然,一般的情况是两个旋转颗粒发生偏心碰撞,这时除计算法向位移和切向位移外,还应计及由于颗粒自转在接触点处造成的切向速度。

当一个颗粒同时与几个颗粒相碰撞时,通过矢量叠加可算出该颗粒所受到的合力与合力矩。

颗粒与器壁的碰撞只需用器壁取代另一颗粒,进行类似计算。

上述物理过程可通过以下数学模型描述:
f C
nij
=-(k n D nij-G n v r ij・n ij)n ij(1)
f C
tij
=-k t D tij-G t v sij(2) v sij=v rij-(v rij・n)n+r(X i+X j)×n(3)式中:f c为接触力;k为颗粒的刚度;D为颗粒相撞产生的弹性变形;G为阻尼系数;v r为相对速度;n为单位法向向量;v s为接触点滑移速度;r为颗粒半径,X为颗粒角速度。

下标n和t分别为法向和切向,i,j为颗粒。

ûf C
tij û>L fûf C
nij
û(4)
f C
tij =-L fûf C
nij
ût ij(5)
t ij=v sij/ûv sijû(6) F=f C+f F(7) v=F/m+g(8) X=T/I(9)式中:L f为摩擦系数;t为单位切向向量;F为合力;f F 为流体力;m为颗粒质量;g为重力加速度;T为合矩; I为颗粒转动惯量。

v=v0+v$t(10) r=r0+v$t(11) X=X0+X$t(12)式中:v为颗粒速度向量;$t为时间步长;r为颗粒重心的位置向量。

下标0为前一$t旧值。

气相场数学模型为考虑固相颗粒存在的N-S方程,固相对气相产生的影响主要通过各网格内的空隙率参数以及方程中的源项反映出来[5]。

由于直接模拟跟踪到了颗粒场中的每一个颗粒,因此通过统计各网格中的颗粒数,可准确地求出各个网格的空隙率E。

2　不同直径颗粒在流化床内运动区域的研究
颗粒相的直接数值模拟需较长的计算时间,为了兼顾模拟流化床的几何规模和能忍受的计算时间,模拟流化床的几何尺寸选定为:高1.5m,直径0.3m,厚0.03m,床料颗粒个数为3000。

采用PⅡ-300微机计算,每模拟20s流化过程约需40h。

实际运行的流化床,床料颗粒粒径接近连续的正态分布,因计算硬件所限,目前不能做到与实际完全一致,因此模拟计算颗粒的粒径由表1所示,该分布为不连续的正态分布。

在颗粒密度为2000kg/m3,流化床空床风速为1.84m/s工况条件下,计算得到图1所示充分流化时的模拟结果,图中各分图的时间间隔为2 s。

图2是根据模拟结果统计得到的粒径分别为d=7 mm和d=13mm颗粒在流化床内的分布曲线。

表1　床料颗粒粒径分布
颗粒直径d/mm颗粒个数
7.0300
8.5600
10.01200
11.5600
13.0300
图1　颗粒直径取正态分布时沸腾流化结果
图2　不同粒径颗粒在流化床内的分布曲线
由模拟结果可见,对于密度相同,粒径不一的颗粒流化区域有显著的差别,小颗粒(d=7mm)的活动区域很小,大部分集中在床层的上方,颗粒达不到下半部分。

大颗粒(d=13mm)的活动区域趋向下部,由于受
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2001年5月 袁竹林:流化床中颗粒流化运动的直接数值模拟
到分布板上风的冲击,其活动区域比小颗粒大得多,颗粒活动的密集区域为床层的下半部。

3　不同密度颗粒在流化床内的运动区域
对上述几何参数的流化床,采用相同的颗粒粒径d =10mm ,取不同的密度分布,颗粒总数为3000,其密度分布如表2所示,符合正态分布。

流化空床风速仍为1.84m /s 。

所得到的模拟结果如图3所示,图中各分图的时间间隔为2s 。

图4是根据模拟结果统计得到的密度分别为Q =1000kg/m 3
和Q =3000kg /m 3
颗粒在流化床内的分布曲线。

表2　床料颗粒密度分布
颗粒密度Q
/(
kg ・m -3)
颗粒个数1000300150060020001
2002500600
3000
300
图3　颗粒密度取正态分布时沸腾流化结果
模拟结果表明,在床料粒径相同,密度呈正态分布时,轻颗粒的流化区域在床层的上方,但与颗粒粒径取正态分布时小颗粒的运动区域有较大差别,轻颗粒活动范围比小颗粒大得多,可运动到床层的各个区域,重颗粒的运动区域分布与轻颗粒相反,类似于密度取相同值时的大颗粒,运动区域趋向床层的下部,但活动范围仍可到达整个床层空间。

图4　不同密度颗粒在流化床内的分布
4　结　论
流化床内不同粒径和密度的床料颗粒流化运动区域有显著差异。

在密度相同,粒径取正态分布时,小颗粒在床内的活动区域很小,大部分集中在床层的上方,大颗粒的运动密集区域在床的下半部分。

粒径相同而密度取正态分布时,轻颗粒的活动范围趋向上方,但运动范围仍然较大,可运动到床层的各区域;重颗粒的运动区域趋向下部。

对比分别改变粒径和密度的模拟结果发现,粒径变化大于密度变化所造成的影响。

参考文献:
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122・燃 烧 科 学 与 技 术 第7卷第2期。