大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟

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大颗粒流化床上升管内两相流动的数值模拟

０前言
液固两相流动进行数值研究是两相流研究的一个热点．研究颗粒团聚造成的多重尺度上的非均匀结
构对于优化循环流化床蒸发器的设计、调控都有重要的意义．
对液固两相流在垂直管束中流动的均匀性、稳定性的研究多数研究者以实验为基础 “ ，采用统计和随机理论方法研究床层中颗粒的随机运动规律，但对管内颗粒团的运动规律研究很少，尤其是低液速范围．由于颗粒之间的相互作用，颗粒浓度变化较大，颗粒空隙率分布很不均匀．Ｓｇ和Ｉｅｅｅｒｅｌｒｒｂｂｇ在稀悬浮液垂直管流中观察到中性悬浮的颗粒球移动并聚集成一个小的环状区域，这种现象在矩形截面的垂直流动中也存在，通常的观察认为径向平衡位置在＝．的地方．Ｋａｎ认为在换热管中保持０６ｌｅｒ流化状态的固体颗粒由于和管中的液体相互作用，提高了整个管内流体的能量，同时颗粒对管壁具有刮磨作用．ｓｋｒ等同对固液两相流在竖直管中颗粒碰撞进行了二维模拟，但进一步深入的研究还未见Ａａｕａ报道，尤其是对于较大颗粒（＝１ｍ．ｍ）在垂直向上管流中的流化特性、速度分布、压力及相互影响０
ＡｂｓｒｃＣＦＤｏｌｏｕｌｉｈａｅｆｏｃｅｌｚｄｂｈｅｃｍｂｎｔｏｅ－ｌｒｍｏｌｎｄｋｉｅｉｏｙｆｔａｔｍｄｅｆｍｔｐｓｗａｎｂｅｒａｉｅｙｔｏｉａｉｎｏｆＥｕｌｒＥｕｅｄｅｎｔｃｔｒｏｌａｈｅｍｕｌｉａｅｆｏｔｐｈｓｗ，Ｂａｅｎｔｓｈｅｒｅ，ｍｏｄｌｎｇｗａｓｄｔｉｕａｅａｌｑｄ－ｏｌｆｏｌｓｄｏｈｅｅｔｏｉｓｅｉｓｕｅｏｓｍｌｔｉｕｉｓｉｌｗ，ｄｉｔｉｕｔｏｎｅｏｉｙｄｓｒｂｉｓｏｆｖｌｃｔａｄｃｒｃｅｉｔｃｏｗｏｐｓｏｗａａｃａｅｎａｖｅｔｃｌｐｅＴｈｅｕｌｓｓｗｈａｌｔｒｘｉｔｉｐｅａｎｈａａｔｒｓｉｆｔｈａｅｆｗｓｃｌｕｌｔｄｉｒｉａｌｐｉ．ｅｒｓｔｈｏｔｔｃｕｓｅｓｅｓｎｔｐｉｎｄｈｅ

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

Res > 1000
Re s
≤ 1000
(4)
Re s
=
ε
g
ρg
d p
v g
μg
−
v s
(5)
2 参数设置及模型验证
2.1 模拟条件模拟装置如图 1 所示。反应器总高 3.5 m、筒
体尺寸为φ300 mm×7 mm，导流筒尺寸为φ219 mm×2 mm，高 1 m，在导流筒上对称开有 4 个矩形槽孔。实验采用空气作为气相，平均粒径为 79 μm, 颗粒密度为 1498 kg·m−3 的 FCC 催化剂作为固相。环隙区表观气速为 0.05 m·s−1（以环隙横截面积为基准），导流筒区表观气速为 0.3、0.4 m·s−1 (以导流筒横截面积为基准 ) 。颗粒循环流量为 100 kg·m−2·s−1(以底端出料口截面为基准)。
中图分类号：TQ 052.5
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2016）08—3234—10
CFD simulation of particle flow in new type of gas-solid air loop reactor
MENG Zhenliang1,2, LIU Mengxi1, LI Fei2, WANG Wei2, LU Chunxi1
第 67 卷第 8 期 2016 年 8 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.67 No.8
Aug·us3t223041·6
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160388
新型气固环流反应器内颗粒流动的 CFD 模拟
孟振亮 1,2，刘梦溪 1，李飞 2，王维 2，卢春喜 1

综掘工作面气固两相流耦合的CFD模拟

（ 1．黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨 150022； 2．黑龙江科技大学研究生学院，哈尔滨 150022）
摘要：针对目前煤矿井下掘进工作面环境复杂、产尘量大、风流速度和粉尘浓度监测难的问题，基于 CFD 理论，建立掘进工作面巷道模型、耦合连续相和离散相模型，选择重整化的 k － ε 模型，模拟风流场和粉尘浓度场的分布规律。结果表明，巷道前 10 m 的风流流线比较紊乱，在距掘进工作面 2 m 的回风侧、掘进机附近存在强涡流。由于风流的裹挟卷吸和重力沉降作用，粉尘多聚集在巷道回风侧和掘进机上侧。在掘进机后方巷道区域，粉尘浓度分布规律和风流速度分布呈现出一致性，都是回风一侧大于进风侧，且变化速度趋于平稳。该研究可为后续通风除尘的风量计算及降除尘设施位置安设提供参考。
Key words： driving face； dust； coupling； airflow； dust concentration； vortexes
收稿日期： 2019 － 01 － 07 第一作者简介：张迎新（ 1978 －），男，黑龙江省海伦人，副教授，博士，研究方向：矿山安全，E-mail： zhangyingxin01@ 126． com。
第2 期
张迎新，等：综掘工作面气固两相流耦合的 CFD 模拟
147
一直以来，煤矿的粉尘是井下安全生产的不利因素［1］。同时，井下人员长时间暴露在粉尘中，极易罹患尘肺病。尤其是综掘工作面，机械化高效生产的同时带来了巨大的产尘量，粉尘的聚集极易影响掘进司机的视线，影响掘进司机及后方工作人员的身体健康［2 － 3］。研究综掘工作面的风流场和粉尘浓度场分布规律具有重要意义。但是，现场测试受到仪器精度、采样环境、采样时间等多种条件限制，使得风速和粉尘的测量数据少、耗时长。基于 CFD 理论建立掘进巷道模型，能直观地看到巷道风流场和粉尘浓度分布规律。因此，文中运用气固两相流理论，采用欧拉－拉格朗日的方法，将风流视作连续相，粉尘颗粒视作离散相，用 CAD 建立仿真度较高的掘进巷道模型，并用 GAMBIT 对模型进行网格划分、确定合适的边界条件，在 FLUENT 里选择合适的求解器和湍流模型，对连续相和离散相进行耦合求解，模拟掘进工作面风速规律和粉尘浓度分布规律。

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言在多相流态化过程中，颗粒流动与气体交互作用的复杂性是许多工程和科学研究的关键领域。

特别是在涉及A类颗粒的气固流态化过程中，准确理解并模拟颗粒间的相互作用及与气体的交互，对提升流态化效率和系统设计具有重要意义。

本文利用计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）相结合的模拟手段，对A类颗粒气固流态化过程进行深入探究。

二、CFD-DEM模拟概述CFD-DEM是一种有效的多尺度模拟方法，用于研究气固流态化过程。

其中，CFD（计算流体动力学）主要处理流体动力学问题，而DEM（离散元方法）则关注于颗粒之间的相互作用。

两种方法的结合使得我们可以同时研究流体与颗粒之间的相互作用以及颗粒间的相互影响。

三、A类颗粒的特性与模拟模型A类颗粒在物理性质、形状和尺寸等方面有其特殊性，这使得它们在流态化过程中表现出独特的流动和相互作用特性。

在模拟中，我们采用精确的物理模型来描述这些颗粒的特性，包括密度、形状、大小分布等。

此外，我们还考虑了颗粒间的相互作用力，如碰撞力、摩擦力等。

四、模拟过程与结果分析1. 模型建立与参数设置：首先，我们建立了模拟的物理模型和数学模型。

在模型中，我们设定了适当的边界条件、初始条件以及物理参数，如颗粒的初始速度、气体的流速等。

2. 模拟过程：在模拟过程中，我们使用CFD-DEM方法对A 类颗粒的气固流态化过程进行模拟。

我们通过不断迭代求解流体动力学方程和离散元方程，以获得颗粒的运动轨迹和流体的流动状态。

3. 结果分析：通过模拟结果，我们可以观察到A类颗粒在气固流态化过程中的运动状态和分布情况。

我们可以分析颗粒的碰撞频率、碰撞力大小以及颗粒的分布规律等。

此外，我们还可以通过模拟结果预测流态化过程中的潜在问题，如堵塞、偏流等。

五、讨论与展望通过CFD-DEM模拟，我们可以更深入地理解A类颗粒气固流态化过程的机制。

模拟结果为我们提供了关于颗粒运动和流体流动的详细信息，有助于我们优化系统设计和提高流态化效率。

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。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟
循环流化床旋风分离器是广泛应用于化学反应、热处理和废气处理等领域的重要设备。

该设备将固体物料以流化床形式进行循环，通过旋风分离器分离气固两相，实现了在化工、环保工程等领域的重要应用。

为了在设计和改进该设备时准确预测流动和分离的特性，数值模拟成为一种有效的方法。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟已经成为一种快速、准确预测流动和分离过程的工具。

CFD数值模拟的过程首先需要准确建立数值模型，进行网格划分和边界条件设定。

然后利用计算机运算能力，通过数值模拟解决数学模型得到流动和分离的过程。

最后，通过数值模拟的结果，可以解决实际设计和改进的问题。

在这个过程中，需要确定正确的物理模型、适当的边界条件和网格密度以及求解方法等。

对于循环流化床旋风分离器的数值模拟，需要考虑以下几个因素。

首先，需要考虑气固两相之间的相互作用。

流化床内气固两相的运动应当由玻意耳数学模型来描述，同时应当将压降等现象考虑在内。

其次，流化床内的颗粒运动也应当考虑，因此某些模拟需采用多相流模型。

此外，旋风分离器中气相的旋转和离心效应都应当加以考虑。

基于CFD的循环流化床旋风分离器数值模拟具有许多优点。

其能够快速准确地预测流动和分离过程，可以帮助研究人员了
解设备内部的运动规律，进而优化设计、提高设备效率。

此外，该方法还可以帮助研究人员验证实验数据，并减少试验成本和时间。

因此CFD模型应用于该设备的设计和改进中，可以提
高效率，节约成本，同时优化产品质量和制造n优化生产成果。

外场作用下流化床中气固两相流动数值模拟

外场作用下流化床中气固两相流动数值模拟气固两相流化床已广泛应用于能源、化工、制药、石油等领域。

为了改善流化床的流化质量,通常采用对颗粒表面进行改性或者加入外能量场的方法,消除流化过程中出现的气固混合不均匀、扬析、沟流、颗粒损失等现象。

目前常用的外能量场有振动场、磁场、声场、电场等。

随着计算机性能的提高,离散元方法(DEM)在稠密气固两相流动数值模拟中得到广泛应用。

研究结果较好地复现了实际颗粒流化过程,预测了颗粒流动机理。

本文将对振动场、磁场和声场作为外加能量场的流化床内气固两相流动特性进行数值模拟,从宏观运动和受力分析角度研究外场对气固流动的影响。

采用Euler-Lagrange方法模拟气体和颗粒流动,颗粒碰撞采用软球模型。

同时考虑外场对颗粒受力的影响,建立不同外场作用下颗粒运动模型。

采用FORTRAN语言,自行编写计算程序。

为减小数值模拟运算量,在颗粒搜索方式上采用了定区域升序搜索,以提高运算速度。

通过上述模拟方法对外场作用下的流动现象进行复现,讨论了不同参数对气固流化特性的影响。

对于振动辅助气固流化床,考虑床体振动引起布风板所在的计算网格中心位置变化对空隙率和气体压力计算的影响,建立了振动辅助气固流化床的Euler-DEM计算模型,数值模拟研究床体竖直振动(整床振动)流化床中气体-颗粒流动过程。

研究振动幅值和振动频率对颗粒速度、浓度分布等的影响,分析振动能量从布风板传入气固两相流体的传播机理。

数值模拟发现,布风板振动导致布风板表面形成周期的低颗粒浓度区,振动空隙的出现促使床层内大气泡生成。

沿床高形成了受振动空隙影响的近布风板低颗粒浓度区域、床层中部高浓度区域和床层表面的过渡区域。

随着振动幅值和振动频率增加,平均颗粒浓度、颗粒速度、曳力径向分布都趋于均匀。

随布风板振动床层气体压力和气体压降均呈现周期振荡,由快速傅立叶变换(FFT)得到的气体压力波传播速度随振动频率增加而增大。

布风板产生的振动能量主要通过:(1)在布风板加速运动周期中布风板与颗粒之间的非弹性碰撞作用;(2)布风板减速运动周期中由气体压力波传递给床内气体-颗粒两相流体。

气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟

气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟湍动流化床反应器因其气固接触充分、热质传递效率高、处理量大等优点，已广泛应用于化学和石油工业等诸多领域。

目前，湍动流化床的研究多集中在流动行为方面，传质行为的研究相对较少，传质行为的计算流体力学(putational fluid dynamics, cfd)模拟更是鲜有报道。

针对湍动流化床稀密两相均为半连续相的特性，本论文将其气固流动结构分为拟离散的气穴相和拟离散的聚团相，并使用cc，cd，csc，csd，cf和csf六个浓度参数描述湍动流化床的传质过程，从而根据质量守恒等原理建立基于结构的气固传质模型，最后通过cfd模拟验证气固传质模型的可靠性，并对湍动流化床的气固传质行为进行分析研究。

提出将湍动流化床的流动结构分为拟均匀的稀密两相，根据两相间质量守恒建立基于湍动流化床非均匀结构的气固传质模型的新思路。

首先，通过推导获得每一相的传质速率方程，将各相传质速率进行加和即可得总体传质速率，再结合平均传质速率定义，即可获得基于结构的湍动流化床传质系数的表达式，用于描述非均匀结构对湍动流化床气固传质的影响；其次，结合传质平衡原理、传质与反应的平衡关系等可得到一维和二维的组分输送方程，并实现传质方程所需六个浓度参数的封闭求解。

气固流动参数由基于结构的湍动流化床曳力模型求解，传质模型的数值模拟由商业软件fluent实现，以甲烷燃烧和臭氧分解实验结果对模拟结果进行校验，结果表明模拟结果与实验数据吻合较好，证明该传质模型具有较高的准确性。

通过模拟研究还发现，虽然甲烷浓度在催化剂浓度较高的位置会因化学反应消耗而降低，但组分流动以及扩散的影响使甲烷浓度与催化剂浓度之间不存在绝对的大小对应关系。

随着气速的增加，由于组分流入速率增加和停留时间变短，臭氧浓度有所增加，但因为气固传质得到强化，反应消耗的臭氧总量是增加的。

此外，稀密两相间的组分交换过程是臭氧分解反应的控制步骤。

本工作利用臭氧分解作为模型反应，通过以上的湍动流化床传质模型分析了传质模拟结果与相间传质系数求解关联式、气速的关系。

流化床内颗粒流体两相流的CFD模拟

万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据第９期张锴等：流化床内颗粒流体两相流的ＣＦＤ模拟时难以获得颗粒的真实堆积率，因此研究者们需要假设最大颗粒堆积率，如洪若瑜等［４９’５６巧７１采用ｏ．５５，Ｃｈｅｎ等№１４３取ｏ．６０，Ｌｅｔｔｉｅｒｉ等［４５］选Ｏ．６２。

３．１液固体系在Ｏ．５ｍ（高）×０．１ｍ（宽）的二维流化床考察了液（ＩＤｌ＝１０００ｋｇ・ｍ一，产ｌ一１．ｏ×１０－３Ｐａ・ｓ）固（佛＝３０００ｋｇ・ｍ～，或一２．５×１０－３ｍ）体系内网格尺度、时间步长和收敛判据对床层固含率分布特性的影响。

结果表明：（１）从整体来看网格数目和时间步长对床层固含率分布的影响不大，但是从局部放大图可以发现，当网格数目（１０×５０和１５×７５）较少时，平衡时垂直方向上的固含率出现振荡，且１０×５０网格的振荡幅度大于１５×７５的网格，而网格数目（２０×１００和３０×１５０）较多时，床层固含率趋于均匀分布特征；（２）通过对０．０１、Ｏ．００５、０．００１、Ｏ．Ｏ００５ｓ和Ｏ．ｏ００１ｓ时间步长的模拟表明，ｏ．００１ｓ时间步长给出了更适宜的模拟结果；（３）收敛判据取１０一、１０－６和１０＿。

，所得模拟结果几乎完全一致，详细结果见文献［５８］。

３．２气固体系首先采用摄像法考察了图２所示中心孔口为Ｏ．０１０ｍ的２．Ｏｍ（高）×Ｏ．３ｍ（宽）拟二维流化床内射流形成及发展过程、射流穿透深度和射流频率。

实验以常温和常压下的空气为流化介质，ＧｅｌｄａｒｔＢ类物料的玻璃珠（佛＝２５５０ｋｇ・ｍ一，矾一２５０～３００肛ｍ，“ｍｆ一０．０７ｍ・ｓ－１）为固体。

通过对射流气速为７．０７ｍ・ｓ。

１的１２００张图像进图２实验装置流程示意图Ｆｉｇ．２｛ｋｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ行逐帧分析，发现当时间为ｏ．０２５ｓ时射流已经形成并开始逐渐长大，到ｏ．１５０ｓ时，该射流在分布器上方脱落形成气泡，并有新的射流产生。

气固两相流动的数值模拟与建模

气固两相流动的数值模拟与建模气固两相流动是指在管道或设备中，同时存在气体和固体颗粒的流动现象。

这种流动在许多行业中都很常见，例如化工、能源、环境保护等领域。

通过数值模拟与建模，可以更好地理解和预测气固两相流动的特性，提高流动过程的效率和安全性。

在进行气固两相流动的数值模拟时，首先需要进行流体性质的建模。

气固两相流动中，气体和固体颗粒的物理性质和运动行为是不同的，因此需要对两相流动中的气相和固相进行单独建模。

对于气相，常用的模型有Navier-Stokes 方程和连续介质假设，通过这些模型可以描述气体在流动中的速度、压力和密度等特性。

对于固相颗粒，通常采用离散相模型，这个模型假设颗粒之间互相不作用，并体现出颗粒的运动和排列状态。

通过对气相和固相的建模，可以建立气固两相流动的数值模型。

数值模拟中最常用的方法之一是计算流体力学（CFD）方法。

CFD是通过离散化的数学方程和计算方法，对流场进行求解的一种方法。

在气固两相流动的数值模拟中，CFD方法可以用来解决气体和颗粒的速度、压力、浓度和能量等方程。

通过CFD方法，可以得到气固两相流动的速度和压力分布、颗粒浓度分布等参数，从而有效地描述了流动的特性。

除了CFD方法外，还可以采用粒子流体动力学（SPH）方法进行气固两相流动的数值模拟。

SPH方法是一种基于颗粒的数值计算方法，通过模拟颗粒的运动和相互作用，得到流场的分布和特性。

在气固两相流动中，SPH方法可以考虑颗粒之间的碰撞、沉积和湍流扩散等现象，从而更加准确地描述气固两相流动的特性。

数值模拟与建模的目的是为了更好地理解和预测气固两相流动的行为，以便优化流动过程的设计和操作。

通过数值模拟，可以得到气固两相流动中关键参数的分布规律，进而优化设备的结构和工艺参数。

例如，在化工领域中，通过数值模拟可以优化固体颗粒的输送设备，减小颗粒的堵塞和磨损程度，提高流动过程的效率和稳定性。

在能源领域中，数值模拟能够预测煤粉燃烧过程中的颗粒分布和燃烧效率，从而优化燃烧设备的设计和操作。

气固流化床反应器颗粒运动规律研究及计算流体力学模拟

气固流化床反应器颗粒运动规律研究及计算流体力学模拟结合我国“贫油、少气、多煤”的化石能源结构以及社会、经济、生态可持续发展的要求,应着力发展利用率高、环境污染小的新一代煤化工技术。

作为煤化工关键技术的费托合成煤制油和煤经甲醇制烯烃技术均大量使用了流化床反应器。

气、固流态化涉及到复杂的流动结构,其动态难以尽察;再加之应用范围扩大、装置大型化、过程强化等原因,使已有的流态化知识略显匮乏,仍需要大量深入的研究工作,以完善、优化反应器的设计和控制。

本文针对湍动流化床、循环流化床提升管、环形汽提器中的颗粒运动规律进行了大量的实验研究,并建立了计算流体力学(CFD)模型,对湍动流化床中的固体浓度、颗粒速度等进行仿真模拟。

建立了高4.8 m、内径0.15 m的湍动床大型冷模装置。

利用光纤浓度探针(PC6M)和激光多普勒测速仪(LDV)分别对床层中的固体浓度和颗粒速度进行测量。

研究表明:固体浓度呈现上稀、下浓的轴向分布和中心稀、壁面浓的径向分布。

增大表观气速或静床高,径向浓度梯度变大。

颗粒沿轴向先加速后减速,静床高越高,加速区间越长。

颗粒整体下行的环形边壁层沿床层高度逐渐变窄。

随着表观气速、静床高的增大或粒径的减小,中心高、边壁低的颗粒速度径向分布更为陡峭,环形边壁层增厚。

根据操作条件、颗粒尺寸以及测量位置的影响,建立用于预测气、固湍动床无因次边壁层厚的经验关联式,其计算值与测定值相吻合。

利用PC6M和PV6D对循环流化床提升管中不同颗粒(Glass beads I,Glass beads II,White fused alumina和SAPO-34)的固体浓度和颗粒速度进行测量。

研究了表观气速、固体循环率、颗粒物性以及轴、径向测量位置对固体浓度和颗粒运动速度的影响。

截面平均固体浓度呈现上稀、下浓的轴向分布以及中心稀、壁面浓的径向分布。

增大固体循环率、颗粒粒径、颗粒密度或减小表观气速,固体浓度升高,轴向发展愈趋缓慢,径向浓度梯度增大。

流化床气固两相流数值模拟及实验研究

1.1 问题的提出及研究意义......................................................................................................... 1 1.2 流态化技术及优点................................................................................................................. 2 1.2.1 流态化现象及其定义................................................................................................... 2 1.2.2 气固流化床 .................................................................................................................. 2 1.3 循环流化床锅炉的发展状况................................................................................................. 4 1.3.1 国外循环流化床锅炉的发展状况 ............................................................................... 4 1.3.2 国内循环流化床锅炉的发展状况 ............................................................................... 5 1.4 气固流化床两相流模型与研究进展 ..................................................................................... 7 1.4.1 双流体模型 .................................................................................................................. 7 1.4.2 离散颗粒模型 .............................................................................................................. 8 1.4.3 小室模型 ...................................................................................................................... 9 1.4.4 模型的比较 ................................................................................................................ 10 1.5 研究目的及研究内容........................................................................................................... 10

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言在过去的几十年里，气固流态化过程在许多工业应用中发挥着至关重要的作用，包括化学反应、物料混合、干燥和冷却等过程。

然而，理解其复杂多变的流体力学行为和混合现象仍面临挑战。

近年来，随着计算流体动力学（CFD）和离散元素法（DEM）的发展，计算机模拟成为研究这一领域的重要工具。

本文旨在研究A类颗粒在气固流态化过程中的行为，通过CFD-DEM模拟来分析其动态特性和流动行为。

二、CFD-DEM模拟方法CFD-DEM是一种耦合计算流体动力学和离散元素方法的模拟方法，适用于模拟颗粒在流体中的复杂运动。

在CFD部分，通过求解流体动力学方程来描述流体的流动行为。

而在DEM部分，通过考虑颗粒间的相互作用和颗粒的物理特性（如形状、大小和材料属性）来模拟颗粒的运动。

三、A类颗粒气固流态化过程模拟在本研究中，我们采用CFD-DEM方法对A类颗粒的气固流态化过程进行模拟。

首先，我们构建了模拟的物理模型，并设定了合适的边界条件和初始条件。

然后，我们通过CFD模块来模拟流体的流动行为，通过DEM模块来模拟颗粒的运动和相互作用。

在模拟过程中，我们重点关注了颗粒的流态化过程、颗粒间的碰撞行为以及颗粒的分布状态。

通过模拟结果，我们可以观察到颗粒在气流作用下的运动轨迹和运动速度的变化，以及颗粒间的碰撞过程。

同时，我们还关注了流态化过程中颗粒的分布状态和空间结构的变化。

四、结果与讨论通过对A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟，我们得到了丰富的结果。

首先，我们发现颗粒在气流作用下的运动轨迹受到多种因素的影响，如颗粒大小、气流速度和方向等。

其次，我们观察到颗粒间的碰撞行为对流态化过程具有重要影响，它影响着颗粒的分布状态和空间结构。

此外，我们还发现气流速度和压力的变化对流态化过程的稳定性有显著影响。

与已有实验研究相比，我们的CFD-DEM模拟结果具有较好的一致性。

同时，我们也注意到在实际工业过程中，可能会存在其他因素对流态化过程产生影响，如温度、湿度和颗粒间的相互作用力等。

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~。

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言在多相流态化过程中，气固流态化现象普遍存在于化工、冶金、制药和食品加工等领域。

由于A类颗粒的气固流态化过程涉及复杂的多尺度相互作用和动态行为，其准确模拟与预测显得尤为重要。

本文采用计算流体动力学（CFD）与离散元素法（DEM）相结合的方法，对A类颗粒的气固流态化过程进行模拟研究，以期为相关工业过程提供理论依据和指导。

二、CFD-DEM模拟方法CFD-DEM方法是一种有效的多尺度模拟方法，可以同时考虑流体与颗粒的相互作用。

其中，CFD用于描述流体域的流动行为，而DEM则用于模拟颗粒的运动和相互作用。

通过耦合CFD 与DEM，可以更准确地描述气固流态化过程中的复杂现象。

在模拟过程中，首先建立合理的几何模型和边界条件，然后设置适当的流体和颗粒属性。

接着，通过CFD方法求解流体域的流动方程，同时通过DEM方法计算颗粒的运动和相互作用。

最后，将流体与颗粒的信息进行耦合和迭代，直到达到稳定的流态化状态。

三、A类颗粒的气固流态化过程模拟在A类颗粒的气固流态化过程模拟中，我们重点关注了颗粒的运动行为、流化性能以及流化过程中的压力变化等因素。

通过CFD-DEM模拟，我们发现A类颗粒在流态化过程中呈现出明显的动态行为。

颗粒之间相互碰撞、摩擦和传递能量，形成复杂的流动结构。

同时，流体与颗粒之间的相互作用也对流态化过程产生了重要影响。

流体的流动方向、速度和压力等因素对颗粒的运动和分布产生了决定性作用。

在模拟过程中，我们观察到了不同区域内的流态化现象。

在靠近床层底部的区域，颗粒的碰撞和摩擦更为频繁，形成了较为密集的流动结构；而在床层上部，颗粒的分布相对稀疏，流动性较好。

此外，我们还发现流化过程中的压力变化与颗粒的运动行为密切相关，为进一步分析流态化过程中的能量传递和转换提供了重要依据。

四、结果与讨论通过CFD-DEM模拟，我们得到了A类颗粒气固流态化过程中的详细信息。

气固两相流动大规模并行直接数值模拟算法

2.控制方程
流体相控制方程
连续方程：动量方程：温度方程：
整理形式：状态方程：
控制方程
颗粒相控制方程
颗粒运动方程：
体现了流动的非均匀性的影响
控制方程
颗粒相控制方程
对颗粒相模拟作如下假设：
1）颗粒为具有相同直径dp 和相同密度ρp的规则刚性球体； 2)颗粒的密度远大于流体的密度（(ρp/ ρf>1)。
显式空间导数离散格式
3.流体相并行算法
离散格式选择显式空间导数离散格式：
一维分解时，在计算每个子区域的导数之前，需要将导数求解需要的边界信息通过MPI传递到阴影部分的缓冲区。
当所有的MPI信息传递结束后，每个CPU就可以进行导数的求解，这个时候每个子区域导数的求解就与单机CPU计算导数完全相同。
目前进行湍流两相流动并行的直接数值模拟，采用高阶显式空间导数离散格式，逐渐成为学术界研究的热点。
3.流体相并行算法
区域分解方法基本思想
区域分解方法是将计算的区域进行分解的一种并行计算方法，为了分析问题的方便，假设求解的是矩形区域的Laplace问题，完整的数学描述为：
f(x,y)和g(x,y)为定义的已知函数，表示在计算区域Ω的内部和边界。
目前，国际上有两种处理的方法：
颗粒分解
在颗粒分解的求解过程中，每个颗粒块保存了所有的计算区域的流场信息。
区域分解
每个CPU保存的是一部分求解区域的流场信息，颗粒穿越计算区域边界的时候，采用 MPI传值的方法实现。
5.颗粒碰撞和颗粒搜索实现方法
表示了一维区域分解中，相邻 CPU之间进行颗粒搜索的界定方法。
在每个CPU的边界上根据颗粒搜索区域定义，在每个 CPU的左右边界定义颗粒碰撞搜索的影响区域。

流化床气化炉气固两相流三维数值模拟

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｇａｓ／ｓｏｌｉｄｔｗｏ — ｐｈａｓｅｌｆｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＣＦＢ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｎｕｍｅｉｒｃａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｉｒｃｌａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇａｓ／ｓｏｌｉｄｔｗｏ—ｐｈａｓｅｌｆｏｗｉｎＣＦＢｂｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇ
ｉｎｉｔｉｌａｌｆｕｉｄｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎａｌｙｚｉｎｇａｘｉｌ，ａｒａｄｉｌｓａｏｌｉｄｈｏｌｄｕｐａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｆｅｌｄｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｌｅａｎｄ
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３Ｄ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ＣＦＤ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ＣＦＤ

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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