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。
粉碎机分离装置气-固两相流研究——基于FLUENT
粉碎机分离装置气-固两相流研究——基于FLUENT曹丽英;武佩【摘要】针对传统饲料粉碎机存在分离效率低的问题,提出了一种可实现单机上循环粉碎的新型物料分离原理的饲料粉碎机,该结构有效地破坏了环流层的影响.基于有限元思想,利用FLUENT软件对粉碎机分离装置内的气-固两相流场进行了数值模拟,获得了影响分离效率的重要因数,对物料分离效率及其影响因素的关系进行了分析.模拟分析与试验研究取得了较为一致的结果,为该粉碎机的设计及研究提供了一定理论根据.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2013(035)002【总页数】4页(P23-26)【关键词】锤片式粉碎机;分离效率;气-固两相流;数值模拟【作者】曹丽英;武佩【作者单位】内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特010018【正文语种】中文【中图分类】S817.12+20 引言造成传统锤片式饲料粉碎机效率低的主要原因是环流层的存在，使得物料的分离效率低于破碎效率[1]。
针对这一问题，笔者提出一种可在单机上实现循环粉碎的新型物料分离原理的饲料粉碎机，并制造了样机[2]，结构如图1所示。
其工作原理是：物料在粉碎室中被粉碎，粉碎后的碎物料沿粉碎室切线方向，在气流带动及转子抛射的双重作用下被输送到出料口的分离筛；符合粒度的物料立即过筛，没过筛的大颗粒物料在粉碎室中心负压及物料自重的作用下，沿粉碎室中心再回到粉碎室进行循环粉碎。
物料的粉碎过程在粉碎室中完成，分离过程则在粉碎室外部的分离装置中进行。
前期研究中发现：分离装置的结构参数以及气-固两相流的运动参数是物料分离的重要影响因素。
1 气-固两相流的数值模拟1.1 几何建模及数学模型基于有限元法，运用FLUENT软件对分离装置中的物料分离过程进行气-固两相流模拟，以考查物料浓度、回料管出口负压及分离装置弯曲半径对物料分离效率的影响规律。
将分离装置的三维几何实体模型导入GAMBIT中，生成计算区域的实体模型，再对其进行网格划分建立其有限元模型[3-5]。
基于FLUENT气固两相流的研究
基于FLUENT气固两相流的研究作者：向东来源：《山东工业技术》2016年第21期摘要：气固两相流是气力输送过程需要解决的关键问题，气力输送是以空气为载体在管道中输送粉尘或者固体的技术。
以水平渐扩管为载体，建立气力输送过程中气固两相流的理论模型，利用FLUENT软件对气力输送过程进行模拟分析，分别从速度场、压力场等方面进行分析。
通过模拟得出，水平渐扩管可以把速度能转化成压力能，能有效减小气力输送过程中固体颗粒对输送管道的磨损，提高管道的使用寿命。
关键词：气力输送；FLUENT；两相流；低气压DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.2470 前言气力输送是以空气为载体在管道中输送粉尘或者固体的技术，气力输送系统是一种以高压罗茨风机或回转式风机为压气设备，以气锁阀为供料设备的输送系统。
气力输送技术因其具有输送效率高、能耗低、污染少、设备简单可靠等优点现在越来越多的用在发电、食品加工、化工等领域。
气力输送过程中，压力沿着管道是逐渐降低，这会使得空气膨胀，气体与固体的相对速度增大，导致气固两相对管道的撞击和磨损加剧，输送距离越长，磨损越严重，在管路系统中安装一个扩张型的管道能有效的缓解这个问题。
王琨等人用试验的方法得出了在水平渐扩管气固输送能力与固气比、扩散角、管径比等因素有关。
李勇等人对试验进行了改进，得出了管路系统安装一个渐扩的管道能有效缓解气固在运行中的磨损问题。
衣华等人通过对渐扩管的研究发现渐扩管能使得气流速度减低，把气体速度能转变成压力能，从而减小气固对管路的磨损。
可以看出，对气力研究管路的研究目前已经取得了很大的成就，但大部分人仅仅集中在试验研究这块，很少有人从理论和模拟的角度对其机理进行分析。
本文利用FLUENT软件对气固两相流在水平扩散管中的流场、压力场规律进行分析。
1 模型建立1.1 物理模型建立渐扩前后两管段管径分别由d 与 D表示，其值分别为 60mm和 80mm；扩散角度分别为4° 6°、 8°、 10°、12°。
fluent仿真欧拉模型中,对于气固两相流材料的设置原则
fluent仿真欧拉模型中,对于气固两相流材料的设置原则【主题】fluent仿真欧拉模型中，对于气固两相流材料的设置原则【正文】1. 欧拉模型介绍在流体力学领域，欧拉模型是描述流体运动的基本模型之一。
它通过对流体的质量、动量和能量进行数学描述，来研究流动的规律。
在fluent仿真中，欧拉模型被广泛应用于多相流模拟，特别是气固两相流体的仿真。
2. 气固两相流材料的设置原则气固两相流是指气体和固体颗粒同时存在并相互作用的流动现象。
在fluent仿真中，对于气固两相流体的设置，需遵循以下原则：2.1 明确流场特性在设置气固两相流模拟时，首先要明确流场的特性，包括颗粒的密度、直径、速度和分布等。
这些参数的准确描述对于模拟结果的准确性至关重要。
2.2 考虑颗粒间相互作用在气固两相流体中，气体和颗粒之间存在着复杂的相互作用。
在fluent仿真中，需要考虑颗粒间的碰撞、沉降、回流等过程，以准确模拟流体的运动和颗粒的分布。
2.3 优化边界条件在设置气固两相流仿真时，边界条件的设定对于模拟结果的精度和稳定性有着重要影响。
需要合理设置出口压力、入口速度、颗粒注入速率等参数，以保证仿真结果的准确性。
2.4 考虑物质性质气固两相流体的模拟中，物质的性质也是至关重要的。
需要考虑气体和颗粒的密度、粘度、表面张力等物性参数，并合理设置在fluent仿真中。
3. 个人观点和理解在进行fluent仿真中，对于气固两相流体的设置原则，我认为需综合考虑流场特性、颗粒间相互作用、边界条件和物质性质等因素，以达到准确、可靠的模拟结果。
不断优化模型和参数设置，提高模拟的精度和稳定性。
4. 总结和回顾fluent仿真欧拉模型中，对于气固两相流体的设置原则，需要全面考虑流场特性、颗粒间相互作用、边界条件和物质性质等因素。
只有在这些方面做到全面、准确的设置，才能得到高质量的仿真结果。
【知识文章格式撰写】本文介绍了fluent仿真欧拉模型中，对于气固两相流体的设置原则，涉及了明确流场特性、考虑颗粒间相互作用、优化边界条件、考虑物质性质等内容。
基于FLUENT的气力输送浓相气固两相流数值模拟
基于FLUENT的气力输送浓相气固两相流数值模拟基于FLUENT的气力输送浓相气固两相流数值模拟气力输送是一种常见的固体颗粒输送技术，通过气体的运动将固体颗粒推送到目标位置。
在许多工业领域中，气力输送被广泛应用于原料处理、煤粉燃烧、水泥生产等过程中。
在实际工程中，了解气固两相流的行为对于优化系统设计和操作至关重要。
本文将介绍基于FLUENT软件的气力输送浓相气固两相流数值模拟方法，并讨论其在工程实践中的应用。
气力输送中，固体颗粒在气体的推动下运动，其行为受到气体速度、压力、颗粒浓度等因素的影响。
在数值模拟中，通过建立和求解基于气固多相流动方程组的数学模型，可以模拟和预测气力输送过程中的关键参数，如颗粒速度、浓度分布、压力损失等。
而FLUENT软件作为一种广泛应用于多相流数值模拟的工具，在气力输送中也得到了有效应用。
首先，建立气力输送的数学模型是数值模拟的基础。
气固两相流动的数学模型可以通过包含连续相和离散相的两个连续方程和两个动量守恒方程来描述。
通过该模型，可以确定气体相和固体相的速度、浓度和压力分布，进而得到系统内气体固体两相混合的行为。
其次，利用基于FLUENT软件进行气力输送的数值模拟。
FLUENT软件提供了多相流模型的求解器和预处理工具，可以快速且准确地模拟各种气固两相流动现象。
在建模过程中，可以设置物理边界条件、离散算法和求解器选项，以最好地适应实际情况。
利用FLUENT软件，可以模拟不同工况下的气力输送过程，并研究其对系统性能和效率的影响。
在进行气力输送浓相气固两相流数值模拟时，除了建立合适的模型和使用适当的数值方法外，还需要合理地选择和设定模型参数。
例如，气体和颗粒的物理属性、颗粒-颗粒、颗粒-壁面的相互作用以及颗粒的初始分布等参数都会影响模拟结果的准确性和可信度。
因此，在使用FLUENT软件进行气力输送模拟时，需要进行一系列的验证和校准工作，以确保模拟结果的可靠性和准确性。
在工程实践中，基于FLUENT的气力输送浓相气固两相流数值模拟可以应用于多个方面。
Fluent的气固两相流中离散颗粒的数值模拟
通用计算流体软件 FlUENT 可作为确定性颗粒轨道模型求解器[9-11]，具有通用性及稳定性好、计算精度高、不 会出现代码理解偏差导致的错误等优点。本文将 DEM 与计算流体力学软件 FlUENT 相结合，基于颗粒尺度碰撞、摩 擦等作用和介观网格尺度的颗粒-流体相互作用，实现伪三维 CFD-DEM 耦合算法，其中 DEM 算法通过 UDF(User Defined Function)实现。
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图 1 节涌现象颗粒速度云图
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关键词：FLUENT；离散单元法；计算流体力学
图 2 鼓泡现象颗粒速度云图
基于 Fluent 的气固两相流中离散颗粒的数值模拟
任立波 1 何海澜 2 韩吉田 1
关键词：FLUENT；离散单元法；计算流体力学
1、引言
对气固流动系统，双流体模型以其大规模模拟的可行性在数值模拟领域占据重要地位，但双流体模型中的颗 粒连续假设从本质上削弱了颗粒流体系统中非均匀特性的描述[1]。与传统两相流数值模拟方法相比，离散单元法 (DEM，Discrete/Distinct Element Method，又称软球模型)可跟踪每个颗粒的运动信息，并考虑颗粒-颗粒、颗 粒-壁面碰撞及颗粒-流体相互作用，在气固非均匀流数值模拟方面具有强大优势。1992 年日本 Tsuji 首次将软球 模型用于流化床模拟，得到与试验一致的最小鼓泡速度、压力波动频率及不同气速下鼓泡床内的颗粒运动信息[2]。 而后众多学者采用该方法对气固流动行为进行了详细研究， XU 和 YU 运用软球模型模拟了流化床中的鼓泡和节涌 现象 [3]；T. Kawaguchi 比较了二维与三维软球模型的鼓泡床中，气速、隔板及摩擦系数对颗粒动态行为的影响[4]； C.N. WU 研究了考虑颗粒-颗粒及颗粒-壁面传热的流化床反应器中颗粒与气体行为[5]；Tsuji[6]、Watano[7]、Li [8] 则将该方法应用于气粒输送领域。至今，离散单元法已被广泛用于气固流动系统，对深入了解气固流动行为具有 重要意义
大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟
大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟摘要：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[】]．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 tma)、B(100～600 tLm)、C(一般情况下粒度小于20 tLm)、D(600 Fm以上)4类_3]．依据此分类，粒度在600肿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 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1．5 rain以下时，是完全可以流化的[3]．文献[4]用粒径为3 mm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o．25 mm到1 mm)、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．有些曳力模型采用皿F(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：动量方程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、Magnus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[1]．Syamla1．0BriencAmstoopour~。
流化床干燥设备中气固两相流动的实验研究
流化床干燥设备中气固两相流动的实验研究随着科技进步和工业发展的推动，物料及生产过程的改进已成为追求高效和优质生产的必然要求。
在许多工业领域，干燥过程是一个重要的步骤，它对于物料的质量和工艺效率具有至关重要的影响。
干燥技术的不断发展和创新有助于提高物料的干燥速度和质量，并降低能源消耗。
其中，流化床干燥设备作为一种常见而重要的干燥设备，已经受到广泛关注。
在流化床干燥设备中，气固两相流动的研究对于提高干燥效果和优化设备运行至关重要。
气固两相流动是流化床干燥设备中一种常见的流动形式。
在流化床干燥设备中，物料被干燥的同时，气体以一定的速度通过床层，与物料颗粒发生气固两相流动。
这种气固两相流动的特点是流体具有较高的流动速度，可以实现物料的混合、传质和传热，从而提高干燥速度和质量。
实验研究是深入了解和优化气固两相流动的重要方法之一。
通过实验研究，可以获得气固两相流动的基本参数和特性，为流化床干燥设备的设计和优化提供依据。
在进行实验研究时，需要选择适当的实验装置和测量方法，以获取准确和可靠的实验数据。
在进行气固两相流动的实验研究时，首先需要确定实验的目标和研究内容。
比如，在流化床干燥设备中，可以研究气体的流速对气固两相流动的影响，物料的入口湿度对干燥效果的影响等。
然后，需要选择合适的实验装置和测量方法。
常用的实验装置包括流化床干燥设备、压力传感器、温度传感器等。
通过这些实验装置，可以获取气体和颗粒物料的压力、温度、湿度等参数，进一步分析和研究气固两相流动的特性。
在实验过程中，需要注意一些实验技巧和操作细节。
首先，需要选择合适的物料和颗粒粒度，以及合适的气体流速。
物料的选择应符合实际应用的要求，颗粒粒度的选择应考虑物料的性质和干燥速度的需求。
气体流速的选择应根据实验研究的目标和要求确定。
其次，需要进行实验前的准备工作，包括清洁实验装置、校准传感器等。
在实验过程中，需要及时记录和监测实验数据，保证实验数据的准确性和可靠性。
Fluent软件 管道中液固两相流动数值模拟研究
管道中液固两相流动数值模拟研究摘要：本次的课题研究主要是了解管道流动的概念及应用，熟悉管道固液两相流的一般计算，分析固体颗粒在环空油管中的沉降。
采用商业软件对气体输送系统进行模拟。
本课题利用Gambit建立几何模型，将模型导入Fluent进行模拟计算，Tecplot软件进行后处理，计算结果用可视化图形表示出来，进而加以分析和总结。
本文对颗粒的沉降末速度进行了分析，分别建立了有、无接箍时的颗粒沉降模型，认为流体在油管中的流动是层流状态。
模拟结果表明，固相的速度分布曲线与液相速度分布曲线相似，只是固相速度曲线相对液相速度分布曲线向下平移了一定数值；颗粒主要分布于环空油管的中部，且分布较均匀；在忽略接箍的影响下，颗粒排出量要大于受接箍影响下的颗粒排出量，原因是接箍附近产生了涡流，颗粒沉降较多。
关键词：固液两相流；数值模拟；Fluent软件中图分类号：TB126Pipe flow characteristics of entranceAbstract：Keywords：solid- liquid two -phase flow；Numerical simulation; Fluent software Classification: TB126目录摘要： (I)Abstract (II)目录.............................................................................................................................. I II 1 引言. (1)1.1 研究背景 (1)1.2 国内 (1)1.3 课题基本内容和拟解决的主要问题 (2)1.4 欧拉-拉氏模型 (3)1.5 研究方法 (3)1.6 研究意义 (4)2理论方法 (4)2.1控制方程 (4)2.1.1质量守恒方程 (4)2.1.2 动量守恒方程 (4)2.1.3层流的控制方程 (5)2.2采用方法 (5)2.2.1 GAMBIT软件介绍 (5)2.2.2 GAMBIT操作步骤 (7)2.2.3 FLUENT软件介绍 (7)2.2.4 FLUENT操作步骤 (8)3 实验原理 (10)3.1工作原理........................................................................... 错误!未定义书签。
基于FLUENT的仓泵气固两相流研究
2018年04月液相介质空预器预低温省煤器的应用，主要为防止堵灰和腐蚀，余热回收器出口烟气温度一般控制在露点以上，即燃油、燃煤锅炉排烟温度≮130℃，燃气锅炉排烟温度≮100℃，节约燃料4~18%。
3.4新型电站锅炉余热综合优化技术该技术应用实践中，采用进口氟塑料材质，实现对锅炉烟气余热回收利用。
换热器对于一般热管难以克服的酸露点腐蚀问题能够解决化工、冶炼、钢铁等行业优势，满足基本余热回收需求。
该综合优化技术的应用实施，是以对基础烟气组成、壁温、酸露点的参数值设定。
在实际的可回收余热中。
可对160~120℃的烟气余热进行有效回收。
从回收对比应用实践中可见，远大于“低温省煤器”使用寿命和投资回报期限，比之其他方法更具有比较优势[6]。
新型电站锅炉余热综合优化技术本身材料的应用，具有自清洁特性，防沾黏，易清洗的效果；在实际的管材应用中，可避免发生的渗漏危险和应力裂缝。
3.5石化锅炉烟气低温热能回收实现可行性分析在实际的装置回收利用实践中，实现了对180℃左右电厂烟气温度180℃~75℃的烟气热量回收；120℃左右电厂烟气温度120℃~75℃的烟气热量回收。
在烟气酸露点腐蚀问题解决中，以满足实际运载负荷赫尔使用寿命，实现设备短期回报，满足高投资效益基本需求，获得丰厚投资价值。
4石化锅炉烟气低温热能回收环节所要考虑的重点问题电厂锅炉低温烟气余热回收受限于低温锅炉烟气余热回收器的占地空间和利用型式。
在实际的回收利用路径方式方法实践落实中，要以实际系统占地面积和前期设计基本时段要求及其低温锅炉烟气余热回收器可利用空间内相关设备的设计和安装，并在客户信息化场景设计实现中，以回收出符合需求的烟气装置。
在水平烟道和垂直烟道的布置中，做好客户基本需求并促进环保工业化的发展。
5结语从目前针对烟气热管余热回收方式方法研究中，不管是为了节能减排还是实现分布式热源点使用，本质目的都是为了保护环境。
石化锅炉烟气实现低温热能回收方式方法的应用，对降低污染物排放，实现锅炉最大燃烧效率实现，尽可能的实现锅炉使用中热效率的整体提升，具有重要意义。
流化床气化炉气固两相流三维数值模拟
ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ ａ ｘ ｉ ｌ， ａ ｒ ａ ｄ ｉ ｌ ｓ ａ ｏ ｌ ｉ ｄ ｈ ｏ ｌ ｄ ｕ ｐ ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｒ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ
流 化 床 技 术 被 广 泛 应 用 于 燃 料 的燃 烧 、 热解 、
度 矢量 图 ， 结论 表明 ３ Ｄ数 值 模 拟 对 于 预 测 流 体 动 量、 质量 与能 量 的传递 更为 准确 。本 文应 用 Ｃ Ｆ Ｄ软
气化等工业过程 ， 流化床内气 固两相 的流动特性 已 成 为人 们 研 究 的重 点 ］ 。流 化 床 反 应 器 气 固 两
摘 要： 为 了研究流 化床 内气 固两相的流动特性 ， 阐述 了应用 Ｃ Ｆ Ｄ
双流化床全场气固流动的数值模拟研究
8双流化床全场气固流动的数值模拟研究双流化床全场气固流动的数值模拟研究Numerica I Simu I ation of Fu I I-fie I d Gas—soI id FI ow in DuaI FI uidized Bed罗健威金保昇胡华军黄亚继（东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，能源与环境学院，江苏南京210096）摘要：以自行设计的双流化床装置为研究对象。
以欧拉双流体模型为基础，采用FLUENT软件对双流化床装置的全场气固流动特性进行数值模拟探究。
分析了燃烧炉的流化风量对其内部颗粒分布与运行情况的影响。
认为随着燃烧炉底部流化风量的增加，燃烧炉内整体颗粒浓度逐渐降低,靠近出口位置的颗粒上行速度增加。
关键词:双流化床；FLUENT曰数值模拟；流化风量Abstract:A se I f-designed dua I-f Iuidized bed unit is taken as the research object in this paper.Based on Eu I e r two-f I u id mode I,FLUENT software is used to simu I a te the fu I I-fie I d gas-so I id flow characteristics of a dua I f I u idized bed device.The inf I u ence of fluidization airf I o w rate on partic Ie distribution and operation of combustion furnace is ana I y zed.It is considered that the overa I I partic I e concentration in the combustion furnace decreases gradua I I y and the upward ve I o city of the partic I e s near the exit increases with the increase of fluidized air rate.Keywords:dua I f I u idized bed,FLUENT,numericaI simu I a tion,f I u idization airf I o w rate双流化床技术由于其双床的反应区域分离，既可以保证反应气氛不同，又可以通过循环床料来实现双床间能量交互的特点，被广泛应用于固体废弃物热解、CO2捕集等方面［1］遥但双流化床的种类繁多，内部气固流动特性复杂,对双流化床装置的设计与运行都造成了不小的困难。
流化床内气固两相流模拟参数敏感性分析
流化床内气固两相流模拟参数敏感性分析郑建祥;丛云龙【摘要】利用CFD-DEM耦合模型,数值模拟了竖直微型流化床内粘性颗粒的流动过程,研究分析了对数值模拟准确性具有重要影响的气相壁面条件、网格尺寸大小和杨氏模量等敏感性参数.研究结果表明,气相壁面条件对固相流场的影响可以忽略.推荐使用2.5倍～4倍粒径大小的欧拉网格,以使计算网格内可以容纳足够数量的颗粒,进而满足数值模拟统计平均的要求.临界流化速度随颗粒杨氏模量的增加而明显减小;当采用较大的杨氏模量时,流化床内出现明显的环核结构,此时更为贴近对比文献中的实验现象.【期刊名称】《东北电力大学学报》【年(卷),期】2019(039)004【总页数】8页(P41-48)【关键词】细颗粒;CFD-DEM;粘性;数值模拟;杨氏模量【作者】郑建祥;丛云龙【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1在对流化床内粘性细颗粒[1]流动的数值模拟中，细颗粒的粒径范围一般为30μm～100 μm，此粒径范围内的颗粒主要受粘性力[2～3]与重力的影响.流场中颗粒间的相互作用会导致碰撞现象的发生，在范德华力与静电力的作用下，发生碰撞的颗粒极易粘附在一起，通常来说，粘性力是一个比流场作用力更强的因素.因为基于欧拉-拉格朗日框架的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)与离散单元法(Discrete Element Method，DEM)耦合模型可以对流化床内颗粒的流动碰撞过程[4～5]进行准确描述，因而该耦合模型受到愈加广泛的关注. 在利用CFD-DEM耦合模型对流化床内的气固流动行为进行数值模拟的过程中，需要设定众多对模拟结果准确性具有重要影响的模拟参数.模拟中的近似物性选择需要经验和技巧，同时气相流场和固相颗粒的参数敏感性测试尤为重要，对模拟参数的敏感性分析也一直是研究重点.Prata等[6]在2012年对流化床内颗粒的聚团现象进行了参数敏感性分析，确定了模拟中需要主要控制的参数，得到改变重要参数值的模拟结果分析.Abboud等[7]在2018年研究了工业流化床反应器中13个独立参数敏感性对模拟结果的影响.本文主要对CFD模拟中气相流场的壁面边界条件、网格尺寸参数和DEM模拟中固相颗粒的杨氏模量参数进行了模拟分析.1 数学模型在本文针对流化床内粘性细颗粒流动过程的数值模拟中，对气固两相采用欧拉-拉格朗日方法进行求解.1.1 气相计算模型气相被处理为连续相，使用时间平均的Navier Stokes(N-S)方程描述其流动行为. 质量守恒方程为+[(1-ε)ug]=0，(1)公式中：ε为固相体积分数；ug为气相速度矢量，m·s-1；t为时间，s.动量守恒方程为ug)=-pg+τg+Φd+ρg(1-ε)g，(2)公式中：ρg为气相密度，m·s-2；pg为气相压力，N；τg为气相的应力张量，N；Φd为颗粒与气体之间的相互作用项，N.1.2 固相计算模型颗粒相采用离散单元法进行求解，采用牛顿第二定律求解颗粒速度，通过对运动方程进行积分更新颗粒位置，其运动是由颗粒的重力、接触力、以范德华力为主带有静电作用的粘性力以及气固流动相间作用力控制的，颗粒的运动通过牛顿方程来求解，其质量和动量守恒方程分别为(3)(4)公式中：vi为颗粒i的移动速度，m·s-1；ωi为颗粒i的转动速度，rad·s-1；mi为颗粒i的质量，kg；Ii为颗粒i的转动惯量； fc，ij为颗粒j作用在颗粒i上的接触力，N； fc，iw为壁面与颗粒i间的接触力，N； fv，ik为颗粒k与颗粒i间的粘性力，N； fv，iw为壁面与颗粒i间的粘性力，N； fpf，i为颗粒i与气流间的相间作用力，N；Mt，ij为颗粒j对颗粒i的扭矩，N·m；Mt，iw为壁面对颗粒i 的扭矩，N·m.颗粒j对颗粒i的扭矩Mt，ij包括两个部分：一部分为切向力导致的颗粒i旋转的扭矩；另一部分为滚动摩擦扭矩，而这一部分在本文模拟中不予考虑.1.2.1 接触力模型fc，ij为颗粒j作用在颗粒i上的接触力，颗粒间的接触力表现为法向接触力和切向接触力，表达式为(5)公式中：等式右四项分别为颗粒j对颗粒i的法向力、颗粒j对颗粒i的法向阻尼力、颗粒j对颗粒i的切向力和颗粒j对颗粒i的切向阻尼力.在本文中，由于颗粒间的范德华力作用以及在接触模型中考虑颗粒间的重叠量和颗粒的表面能，因而在选择接触模型时选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型，在JKR模型中颗粒所受的法向力与颗粒的接触半径和表面能间满足(6)公式中：ri为颗粒i的接触半径，m；R*为颗粒的有效半径，m；Y*为颗粒的有效杨氏模量系数，MPa；γi为颗粒i的表面能，J.颗粒的表面能定义为在考虑颗粒间的表面能时认为当两个颗粒在碰撞的过程中，一些能量储存在两个碰撞颗粒的弹性变形中，还有一些储存在接触区域内形成的粘性键中，另一些在周围流体中消散.所以在离同一材料的两个粘合刚性平面表面的单位面积所需要的功为两平面表面能γ的两倍，表面能可以由表面功计算得到[9]. 颗粒i与颗粒j间法向阻尼力的表达式为(7)公式中：ηn为法向阻尼系数，其大小与颗粒的恢复系数E相关，其表达式为(8)颗粒i和颗粒j间切向接触力的表达式为(9)公式中：ηt为切向阻尼系数，其大小与法向阻尼系数相近，本论文中认为ηt≡ηn；δt为颗粒在碰撞过程中的切向位移，m；μs为滑动摩擦系数；G*为颗粒的有效剪切模量系数，MPa.有效剪切模量系数的表达式为(10)在本文中不考虑切向的耗散.1.2.2 气固相间作用力颗粒与气流间的相互作用力表示为fpf，i=-Vpg+Vτg+fd，i，(11)公式中：V为颗粒的体积，m3；τg为气相偏应力张量，N·m； fd，i为颗粒i由于气体流动所受的力，N.本文采用Wen-Yu曳力模型[8]，其表达式为(12)公式中：βgs为曳力系数；εg为气相体积分数；CD为阻力系数.(13)公式中：Re为雷诺系数.雷诺系数的表达式为Re=2Rsεgρgvg-vi/μg，(14)公式中：μg为气相动力粘度，Pa·s.1.2.3 范德华力计算模型对处于接触状态的弹性光滑颗粒，采用Hertz弹性模型[8].在研究中一般用黏性力表示颗粒间的黏结性.细颗粒所受粘性力主要包括静电力与范德华力，相比较而言，范德华力为起主要作用的黏性力.范德华力的基础公式Lennard-Jones关系式为(15)通过公式的相关变形，可以得到本文中颗粒i与颗粒k之间的范德华力表达式为(16)颗粒i与壁面之间的范德华力表达式为(17)2 模拟参数敏感性分析2.1 模型及数值模拟方法图1 模型尺寸示意图(单位：mm)本文数值模拟所采用的物理模型，如图1所示.XYZ轴方向的尺寸分别为1.5 mm、3.2 mm和150 mm，计算网格为正六面体网格.气相从模型底部进入流化床，并采用速度入口的边界条件；模型上部为气相的压力出口，其余设为无滑移壁面.采用结构化网格离散计算域.在模拟中，采用降速法模拟不同气相流速下的床内气固流场特性，模拟参数如表1所示.每一个气相流速稳定流化0.2 s～0.3 s，在进行CFD-DEM耦合计算前，首先在整个计算域内随机生成颗粒并自由沉降.自由沉降结束后通入气相，待气固相流场稳定后开始计时.整个求解过程采用有限体积法对气相控制方程进行离散求解，采用SIMPLE算法迭代计算从而对压力和速度进行解耦.非稳态项采用二阶隐式，动量方程采用二阶迎风格式离散.求解过程中气相流场计算时间步长为1.39×10-5s，颗粒计算时间步长为1.39×10-7s，即CFD时间步长亦为DEM时间步长的100倍.表1 CFD-DEM模拟参数表参数数值参数数值气相(空气)颗粒-颗粒静摩擦系数0.21粘度1.8 × 10-5Pa·s颗粒-颗粒静摩擦系数0.21密度1.205kg/m3颗粒-颗粒滚动摩擦系数0.01表观流速0.02～0.001m/s壁面固相密度7800粒径69μm杨氏模量7e10密度2500kg/m3泊松比0.3球形度1.0颗粒-壁面法向/切向恢复系数1剪切模量1.2e7N/m颗粒-壁面静摩擦系数0泊松比0.27颗粒-壁面滚动摩擦系数0颗粒-颗粒表面能0.000456833J/m2颗粒-壁面表面能0颗粒-颗粒法向/切向恢复系数0.972.2 壁面边界条件固体颗粒的壁面边界条件比较简单，但研究者对气相边界条件的选择却持有异议.在不同的壁面条件下，表观气速1.9 cm/s、静床高1.5 mm时，在床高1.0 mm处的时均固相Z向速度沿着Y向分布如图2所示，时均固相空隙率沿着Y向分布如图3所示(X轴数值进行归一化处理，即将网格中心Y坐标除以计算域Y向宽度).由图2、图3可知，对于微型流化床内气固两相流动模拟来说，壁面边界条件对固相颗粒的影响较小.这主要由于床内颗粒-颗粒相互作用以碰撞接触力和粘性力为主，颗粒间作用力远大于气固相间作用力导致的.同时使得壁面附近区域颗粒流场的瞬态变化不敏感.综上所述，下文的数值模拟中气相壁面边界条件选定为无滑移边界条件.2.3 网格尺寸在微型流化床气固流动特性的CFD-DEM模拟中，网格尺度划分不仅影响气相流场的精度，同时也影响固相的颗粒时均速度、时均空隙率等相关参数的计算和统计.在CFD-DEM计算中，通常只有当颗粒质心位于某个网格内部时才会考虑颗粒对网格空隙率的影响，这就造成空隙率随时间的阶梯型不连续变化.对于细网格的数值模拟来说，这样的不合理性更趋于严重.与此同时，局部空隙率通常采用体积加权平均法计算，当网格中颗粒分布表现出强烈不均匀时，密相区的局部空隙率理论上应低于稀相区的局部空隙率，但体积加权法计算的局部空隙率很难合理地反映密相区颗粒的聚集效应，并且会导致较大程度的曳力偏差.所以，CFD-DEM数值模拟方法对网格有强烈依赖性，要求网格既不能太粗以求解流场细节，又不能过小来保证容纳的颗粒数量满足统计平均的要求.基于CFD-DEM方法对网格的要求，本文按照前人常用的倍数变化关系来验证网格无关性.静床高1.5 cm、表观气速2 cm/s时沿着床高度方向的时均空隙率数值模拟结果如图4所示.由图4可知，网格尺寸小于2倍粒径时，统计平均的结果和文献[10]模拟结果偏差较大；而当网格边长为2.5 dp～4 dp时，数值模拟预测结果与文献[10]数值模拟结果吻合良好.因此，应用CFD-DEM耦合模拟时需要注意网格尺度，即使有相关经验也需要对网格进行预先评估.根据模拟数据，推荐的网格大小应是2.5 dp～4dp，这个结论与文献[10]中所使用得网格尺寸(2.6 dp)一致. 图2 表观气速1.9cm/s、静床高1.5mm时,在床高1.0mm处时均固相Z向速度沿着Y向分布图3 表观气速1.9cm/s、静床高1.5mm时,在床高1.0mm处时均固相空隙率沿着Y向分布图4 静床高1.5 cm、表观气速2 cm/s时沿着床轴向高度方向的时均空隙率分布曲线2.4 杨氏模量对固相颗粒物性的重要参数，也要进行敏感性分析研究，其中，固相颗粒的杨氏模量决定了计算的时间步长，是影响CFD-DEM耦合数值模拟计算量和顺利进行的最重要参数之一.在物体的弹性范围内，颗粒所受的应力与应变成正比，比值为颗粒的杨氏模量，大小仅取决于颗粒本身的物理性质.杨氏模量的大小说明了材料的刚性，颗粒的杨氏模量越大，也就越不容易发生形变.本文选取了3个量级的杨氏模量(73 MPa、100 MPa 、73 000 MPa)进行参数敏感性分析，其中73 000 MPa是颗粒实际杨氏模量.随着流速降低，不同流速下的典型固相速度云图如图5所示.由图5可知，当气相表观流速大于15 cm/s时，两数值模拟结果均显示流化床处于鼓泡流型状态；当气相表观流速小于5 cm/s时，两数值模拟结果显示流化床处于固定床状态；当气相表观流速小于介于5 cm/s～15 cm/s时，杨氏模量为73 MPa的数值模拟结果显示颗粒运动受到抑制，而当杨氏模量为73 000 MPa的数值模拟结果显示部分颗粒运动具有较高的运动速度.这表明较高的杨氏模量降低了从流化床转化为固定床的速度(即临界流化速度).另外，较高的杨氏模量也导致颗粒-颗粒之间法向力增大，令处于固定床状态时的床层静床高增加.图6和图7给出了表观气速1.9 cm/s、静床高1.5 mm时，不同杨氏模量下的粘性颗粒和非粘性颗粒流化床的逆流态化曲线，其中横坐标为气相表观流速、纵坐标为归一化的压降(床层压降除以流化态床层时均压降).理想状态下，随着气速的增大，归一化的压降由1逐渐变为0；归一化的压降开始小于1.0时的流速对应的流速即为临界流化速度，意味着床层开始由完全流化状态开始转变为固定床.本文设定归一化压降降低为0.98，流化床即转化为固定床.由图6可知，对非粘性颗粒流化床而言，杨氏模量对逆流态化曲线几乎无影响，气相表观流速-压降关系随着杨氏模量的变化而未表现出明显变化.但对于粘性颗粒流化床来说，杨氏模量显著影响了逆流态化曲线，临界流化速度随颗粒杨氏模量的增加而明显减小.其中，当杨氏模量分别为10 MPa、100 MPa和73 GPa时，数值模拟获得的临界流化速度如表2所示，与文献[10]结果吻合较好，这表明本文建立的数学模型能较好的模拟粘性颗粒的微型流化床内气固两相流动特性.另外，由图6和图7可知，由于颗粒间的粘性力，粘性颗粒流化床的临界流化速度明显高于非粘性颗粒流化床的临界流化速度.图5 不同杨氏模量时的典型固相速度云图图6 非粘性颗粒的逆流态化曲线图7 粘性颗粒的逆流态化曲线图8 表观气速1.9cm/s、静床高1.5mm时,在床高1.0mm的时均固相Z向速度沿Y向分布图9 表观气速1.9cm/s、静床高1.5mm时,在床高1.0mm的时均固相空隙率沿Y向分布表3 粘性颗粒临界流化速度(单位：cm/s)对比杨氏模量本文结果文献[9]结果10MPa1.271.18100MPa0.920.8273GPa0.750.64气相表观流速1.9 m/s、静床高1.5cm时，在床高1.0 mm处的时均固相速度沿着Y向分布的模拟结果如图8所示，时均空隙率沿着Y向分布的模拟结果如图9所示.由图8和图9可知，杨氏模量显著影响了沿着径向的空隙率分布和固相速度分布，且在壁面处和床层中心处表现出不同的差异.这种现象的出现主要是因为壁面区域颗粒-壁面间作用很剧烈，导致颗粒运动受到约束，频繁的碰撞就体现出了杨氏模量的影响；但在床层中心区域，数值模拟结果几乎没有受到影响.由图8可知，随着杨氏模量的增大，壁面附近颗粒纵向移动速度越小；由图2可知，随着杨氏模量的增大，壁面出颗粒的空隙率也越小，因此都可以表现出流化床内出现的环核结构越来越明显，这与文献[9]中出现的实验现象更加接近.因此，针对粘性细颗粒，应在计算机资源允许前提下采用较大的杨氏模量值进行模拟.3 结论采用前文建立的CFD-DEM强耦合模型，对颗粒-颗粒间存在粘性力的微型流化床进行了数值模拟，并进行了参数敏感性分析，获得了如下结论：(1)气相壁面条件对固相流场的影响可以忽略；(2)推荐使用的欧拉网格大小应是2.5 dp～4 dp，从而保证其可容纳足够数量的颗粒以满足数值模拟统计平均的要求；(3)杨氏模量显著影响了固相速度和空隙率分布，且临界流化速度随颗粒杨氏模量的增加而明显减小；(4)采用较大的杨氏模量，流化床内环核结构越明显，更加接近对比文献中描述的实验现象.参考文献【相关文献】[1] 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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