流化床内颗粒流体两相流的CFD模拟

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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。进而，通过统计分析获得了射流穿透深度和射流频率分别为（Ｏ．１３８±Ｏ．０１０）ｍ和（９．４５±１．３６）Ｈｚ。

针对中心射流的特点，在固定横向５２个（中心射流处２个和其余部分均分为５０个）和纵向１．００ｍ上部稀相区２０均匀网格的前提下，对纵向下部１．００ｍ的密相区等分为５０、１００、１２０、１５０、１８０、２００和２３０网格体系的模拟结果如图３所示，当网格数等于或大于１００时，可以发现射流穿透深度变化不大，在一定范围内射流穿透深度随网格尺度减小呈现轻微波动的原因是当模拟结果输出时间确定后射流崩塌可能出现在两个间隔时间之间。进而，结合实验和模拟的气相体积分数分布图像，发现当网格数等于或大于１００时，对射流形成、发展和射流崩塌后形成气泡的形状及其上升速度的影响可以忽略，而且射流穿透深度的模拟值和实验值之间的相对误差约为５％。随后，在时间步长为（１．Ｏ×１０＿４）～（５．Ｏ×１０ｑ）ｓ范围内考察了缸对射流穿透深度和射流频率的影响，模拟结果表明当△￡≤１．ＯｘｌＯｑｓ时对射流穿透深度没有影响，当＆≤５．Ｏ×１０叫ｓ时对射流穿透深度和射流频率值均没有影响，并与对应的实验结果相一致。在此基础上，将最大颗粒堆积率设定为０．６０、ｏ．６２５和ｏ．６５，获得了射流穿透深度均为（Ｏ．１３０土０．００５）ｍ，证明在本研究范围内最大颗粒堆积率对模拟结果的影响可以忽略。有关本节的详细介绍可参考文献［５９］。

图３网格数目与射流穿透深度之间的关系Ｆｉｇ．３Ｊｅｔｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｐｔｈｓａｔｖａｒｉｏｕｓｇｒｉｄｎｕｍｂｅｒｓ（口＋ｐｌｕｓｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎ，一一ｍｉｎｕｓｓｔａｎｄａｒｄ

ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）万方数据

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（ａ）ｂｅｇｉｎＩＩｉｎｇｓ协ｇｅ（，＜１．５ｓ）

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图９床层高度随时间变化曲线

Ｆｉｇ．９Ａｖｅｒａｇｅｂｅｄｈｅｉｇｈｔａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅ（越一２牡ｍｆ）

图１０不同时刻切断气源后的床层塌落曲线Ｆｉｇ．１０Ｂｅｄｓｕｒｆａｃｅｃｏｌｌａｐｓｅｃｕｒｖｅｓｗｈｅｎｇａｓｉｓ

ｓｈｕｔｏｆｆａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓ

机性，但整体或时均特性却非常相似。

与二维床的模拟相类似，整个床层压降可以分为起始和稳定鼓泡两个阶段。由于在起始阶段出现一个非常高的脉冲波，为了减少起始阶段的影响，在计算床层平均压降时从稳定流化阶段算起。当起始时间取ｏ．０５ｓ时模拟的平均值为４２５５．１Ｐａ；当起始时间取１．００ｓ时模拟的平均值为４２５８．７Ｐａ。其结果与３．２．２节预报的散式流态化相类似，即模拟平均值同样大于理论计算值（４０４９．２Ｐａ），但其相对误差却是５％左右。

鉴于三维模拟花费大量的计算机内存和相当长的计算时间，这里仅对时间为２．Ｏｓ时切断气源的案例进行分析。通过对空隙率为ｏ．８床层瞬态固含率进行分析可以发现，切断气源后床内气泡迅速逸出，导致床表面急剧下降，定量结果如图１１所示。为了进一步分析动态塌落过程中床层界面的变化特征，该图也给出了当气体突然切断后床层界面高度的标准偏差随时间的变化关系。显而易见，当气体刚开始切断后，气泡快速向上运动并离开界面，导致床层界面凹凸不平，即其标准偏差随时间的延伸而增大；当时间为２．１ｓ（即塌落ｏ．１ｓ）后达到了最大值。随后，当气泡全部离开床层后，床层高度的标准偏差开始减小，说明此时只有颗粒缝隙的气体脱离床层，直到整个床层形成了固定床。前人在实验研究中通常认为ＧｅｌｄａｒｔＢ类物料的床层塌落与时间呈线性关系，尽管本文的模拟结果与之并不完全相同，但总体趋势是一致的。需要指出的是这一细微的差异似乎可以归结于目前实验仪器很难精确地测试出床层平均高度。然而，数值模拟则不同，只要等空隙率确定后，即可获得精确的床层平均高度。有关本节的详细报道参考文献［６２，７０］。

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图１１塌落过程中床层平均高度及其标准

偏差随时间变化关系

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