网格尺度对CFD模拟提升管两相浓度分布的影响

石油化工
·916·PETROCHEMICAL T E C H N O L O G Y2010年第39卷增刊网格尺度对CFD模拟提升管两相浓度分布的影响
周新宇，蓝兴英，高金森，徐春明
(中国石油大学(北京)化学工程学院，北京102249)
[摘要]应用欧拉一欧拉双流体模型，模拟了内径和床高分别是0．186 nl和14m的二维提升管反应器内的气固两相流动特
性。

考察了网格尺度对C FD模拟提升管反应器内轴向时均窄隙率和局部颗粒相浓度概率密度分布的影响。

结果表明，加密网
络能够提高一般双流体模型对于轴向时均空隙率分布的预测精度，改变局部颗粒相浓度的概率密度分布，加强捕捉介观尺度
结构的能力。

[关键词]网格尺度；提升管；数值模拟；气固流动
[中凰分类号]T Q021．1[文献标识码]A
提升管是非均匀结构显著的大型气固两相流力则采用颗粒动理学进行封闭，并选取G idasp ow
经动体系。

因此，选择合适的网格尺度是极为必要典曳力模型H1处理相间作用力。

的。

近年来，国
内外学者致力于数值计算方法的研1．1边界条件
究增多。

其中，Ji rad ilo k等比较了网格尺度和颗本研究主要基于范怡平”1的测量数据。

其中，
气粒弹性恢复系数e对气固流化床体系模拟结果的影体表观气速是3．28m／s，颗粒循环量是80kg／
m2S。

响，认为e取0．9时可获得更为理想的计算结果，但提升管的初始颗粒浓度为零，气固两相的初始速度也其针对网格无关性的研究仍属于粗网格范畴。

Lu均为零。

为了保证颗粒循环量，颗粒相入口采用给定等”o则比较了曳力模型和网格尺度对于预测循环入口颗粒速度的方式。

出口条件为顶部自由出口。

流化床轴向空隙率分布的影响，网格尺度更加细气固两相在边壁均按无滑移边界处理。

化，而时间
步长却相对较长。

Wang等¨1在鼓泡床1．2模拟对象的模拟中发现当网格尺寸缩小到
颗粒直径的3倍、本研究是以范怡平”J的中试实验装置作为模时间步长取1×10。

6s时，双流体模型能够准确地预拟对象，内径和床高分别为0。

186rn和14m。

由于测床层膨胀率。

上述3位学者中，Wang等¨1所采提升管二维模拟体系的单人口结构会导致经
底部
用的网格和时间步长的细化度最高。

那么，适用于入口进入的气体绕过单侧固体入口区，并以较高的鼓泡床的细化网格和缩短时间步长的方法是否同空隙率通过整个提升管主体，因此，为了获得和三样适用于快速流化床?迄今为止，尚无定论。

维实验数据更为相似的入口区域混合状况，同时借更为重要的是，J i ra di l o k等¨3和L u等¨3的工作鉴B eny ah ia等M1的建议，本模拟体系的颗粒相入I=1 中均采用层流处理气相，忽略了快速流化床内的一选取两侧入口结构设计。

两侧人口尺寸是0．1m。

个重要流动现象——气相的湍流行为。

因此，本研本研究体系的性质如下：颗粒的直径和密度分别是究应用湍流模型处理气相，并由颗粒动理学封闭固65斗m和1310kg／m3；气体的密度和黏度则是相应力，选取经典曳力模型H o处理相问作用力，比1．179 5 kg／m3和1．8872×10～Pa·s；时
间步长是较3种网格尺度对于预测气固两相浓度分布的影1×104s。

网格划分方法采用均匀网格结构体系，
响，进而选取合适的网格尺度用以预测大型气固两3种划分尺度
(40×700；80×1400；160×2800)。

相流动体系内的非均匀结构。

颗粒弹性恢复系数e借鉴Jiradilok等的研究结
果，取0．9。

颗粒充填限制为0．6。

1数值模拟
2结果与讨论
本研究采用目前应用最广泛的欧拉～欧拉双
2．1 网格尺度对轴向空隙率的影响
流体模型。

同时，考虑到气相的湍流行为是气固两
相流动中的一个重要流动现象，本研究运用FLU·本研究的颗粒相入口设置采用给定入口颗粒ENT6．3．26中所提供的分散湍流模型单独处理气[作者简介]周新字(1982一)，男，黑龙江省绥滨县人，博士生，电话
相的湍流行为，颗粒相动量守恒方程式中的固相应010—89731773，电邮zho u．xinyu@foxmail．com。

*H周*宇等月镕RⅨ"cFD模拟提升臂自相镕＆分布¨#目
速度的方式，此方式的特点是固定颗粒循环量，预粒相人口采用速度^u的方式时，即使通过网格加测体系内存料量。

对于陕建流态化体系．若给定气密的手段也不能提高般双流体模型的预测精度。

速和固体循环量，就存在一个拐点确定的轴向空隙其结论之所以和本研究的计算结果不同．主要原因率分布或者说有个确定的平衡存料量。

快速流可能是本研究运用r分散湍流模型来处理气相
的化床内的存料量一般采用全眯颗粒相平均浓度(颗湍衙c行为，强化丁网格尺度对轴向时均空隙率分布粒相体积分数)表示。

颗粒相体积分数B和气相体的影响。

积分数(空隙率)￡，又存在如下关系：B+8。

=l。

2．2网格尺度对颗粒相浓度分布的影响也就是说．可以通过轴向空隙率分布曲线间接地表3种网格尺度的瞬时颗粒相浓度分布(颗粒
相示体系内的存科量的多少。

3种阿梏尺度下的轴向体积分数^)见图2。

国内外发表的文献中多以图时均空隙率分布见图1。

2的形式表示颗粒相浓度分布。

由图2可见，随
着网格的不断加密，一般双流体模型所捕捉到的团
聚结构(介观结构)越来越清晰．且多以絮杖物为
主。

尽管通过囝2能够定性地判断3种同格尺
度下一般双流体模型捕捉舟现结构能力的强弱，
但是却不能定量。

因此，本研究提出通过结合局
部颗粒相浓度概率密度的方式定量地判断般胆
流体模型捕捉舟观结构能力的强弱。

I
目I=#月镕RⅡ∞#自W目i目$*$
月镕R&：^40，(70，∞xI枷i mOn咖·女＆Ⅲ
由图】可知：网格尺度为40×700时，轴向时均
空隙率分布曲线的主体几乎是一条垂直线；当网格l#／
尺度达到160x2800时，轴向时均空隙率分布曲线
明显整体向接近实验值的方向移动．并略微发生倾"¨^Ⅲ孑¨i．i％j I：i m n∽№㈣㈨N—
怖珊
斜，有向“s”型转变的趋势，但整体仍呈指数型分
布。

尽管，当阿格足度达到160x2800时，轴向时
目2=#月#R《∞#目■#月《《*m
均空隙率预测值仍和实验值相差较大；但是．可以
看出加密网格能够提高轴向时均空隙率的预测精23码格尺度对局部颗粒相浓度概率密座的影响度。

也变相说明，加密同格能够提高颗粒存料量的局部颗粒相浓度概率密度又可称为计算单元预测精度，有接近真实颗粒存料量的发展趋势。

需(Cell)颗粒襁浓度概率密度，是以计算单元作为统要指出的是：由于受到计算能力的限制．车研究的计对象，表示计算单元颗粒相浓度落在指定范围内网格尺度仅缩小到160x 2 800(1162 5姗x的概率。

本研究采用局部颗粒相浓度概率密度定5 nun)，时闻步长也只是取到了l×10s，并没有量地反映计算过程中模型捕捉介观结构的能力。

达到Waag等“所采用的网格尺度和时间步长尺度圈3(a)和图3(b)是两种颗粒相浓度范围下的(0 2 ram x0 2 ram x02m m，1x10。

s)。

同时，3种阿格尺度所对应的局部颗粒相浓度的概率密度 w蛐g等”1的工况和率研究的工况也存在区别：表分布圈。

由21节可知，3种网格尺度下截面平均现气速和结构尺寸均存在着数量级的差别。

因此，空隙率的预测值均大干09。

因此本研究将局部颗应用Gidas pow经典曳力模型”’处理相间作用力的粒相浓度分成0—01和0l一06两十范围，每个一般双流体模型能否通过细化舟格和缩小时间步范围叉分成50等份，分别进行统计。

由图3(a)可长的方式准确地预测快速流化床内的轴向空隙率知，0I一06范围内的3种网格尺度下
的局部颗粒分布仍有待证明。

相被度概率密度分布均呈单调递减趋势。

局部颗值得注意的是．Lu等u-在文章附录中指出当颗粒相浓度的概率密度随罔格的币断加密而增大；其
石油化工
PETRoC HeMlC AL T E c H N O L O G Y2010年第39卷
中，在颗粒相浓度为O．4处3种网格尺度的局部颗总之，加密网格能够显著提高整个体系0．1—粒相浓度的概率密度分布曲线均有一个突起，这主0．6范围内的局部颗粒相浓度概率密度，或者可以要是由于两侧颗粒相入口的颗粒相体积分数设置说能够提高局部密相颗粒的概率密度；同时，改变为0．4所致。

了局部颗粒相浓度概率密度的分布形式。

加密网通过统计0—0．1范围内的局部颗粒相浓度概格的实质是减小网格的轴径向尺寸，也就是减小率密度可以发现，在40×700和80×l400的网格C ell的控制容积。

双流体模型的基础是平均化的两尺度下，局部颗粒相浓度概率密度在占。

=0．02附近相流方程组喁】。

其特点之一就是用变量在Ce ll内的均存在极值(最大值)；而在160×2800的网格尺度平均值代替各空间点的变量值。

加密网格正是由下，局部颗粒相浓度概率密度的极值消失，其分布于减小了局部微元的控制容积，使得局部微元中变形势转变为单调递减的指数型概率密度分布，详见量的平均值更加接近真实值，从而提高了局部密相图3(b)。

颗粒的概率密度，加强了模璎捕捉介观结构的能力。

图3局部颗粒相浓度的概率密度分布网格尺度：
▲40x70；-80x l400；·160×2800
Flu id M od e l RIils t o P re di ct t h e B e d E x p a n s i o n C h a r a ct e ri s ti c s o f 3结论
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