循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展
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６
化
工 机 械
２ ０ １ ４钜
循 环 流 化 床气 固两 相流 动数 值 模 拟 的研 究 进展
刘 洪鹏 。 肖剑 波 王 敬斌。 王 擎
（ １ ．油 页 岩 综 合利 用 教 育 部 工 程 研 究 中 心 ， 东 北 电 力 大学 能 源与 动 力 工 程 学 院 ； ２ ．华 能应 城热 电有 限责 任 公 司 ； ３ ．河 北 华 热 工 程 设 计 有 限 公 司 ）
第４ １ 卷
第 １ 期
化
工
机
械
７
ｄ ．ｋ － ６ ． Ａ 。 ， 用湍流模 型 （ ｋ － ｅ ） 来 描 述 气 相 流 动， 颗粒 相 湍流 粘性 系数 采 用 以颗 粒追 随流 体 脉
相， 对 大量 颗粒 轨 迹进 行 统 计 分 析 就 能得 到 颗 粒 群 运 动 的概 况 。通 过 颗 粒 在 流场 中 的受 力 分 析 ， 建 立基 于 牛顿第 二 定 律 的运 动方 程 ， 进 而 通 过 积 分 得 到每个 颗粒 的运 动轨迹 。 离散单 元 方 法 （ Ｄ Ｅ Ｍ） 是 ２ Ｏ世 纪 ７ ０年 代 初 由Ｃ ｕ ｎ ｄ ａ ｌ ｌ 和Ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ提 出的一 种 分 析 不 连 续 岩 体
传 统双 流体模 型 将 颗 粒 相视 为拟 流 体 ， 控 制
方 程与 气相 有相 同形 式 ， 关 键 在 于如 何 封 闭模 型
中 固相 动量方 程 的剪 切应 力 ， 笔 者 介 绍 了 以下 几
种形式 的计 算模 型 ：
ａ ．无 粘 模 型 ， Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ Ｄ不 考 虑 颗 粒 相 粘
环流 化床来 说 ， 进行 详 细 的 气 固 流动 特 性 的试 验 研究 是非 常 困难 的 ， 随着计 算机 性能 的不 断提高 ， 基于 计算 流体 力学 的数 值 方 法得 到 长 足 发展 ， 并
对循 环 流化 床 复 杂 多 相 流 系 统 结 构 和来自百度文库 行 的 优 化、 大型 化 起 到 至关 重 要 的作 用 。 据 此 ， 许 多
中 的气泡行 为 。然 而 对 于 大 型 的 工 业 化 内循
体， 数 值模 拟结 果 与实 际 值 误差 较 大 。小 滑 移模
型在 上一模 型 的基础 上考 虑 了固相对 于流 体 的扩 散运 动 ， 有 一定 改进 ， 但误 差仍 然较 大 。多流体 模
型考 虑 了 固相 沿垂 直于 主流速 度方 向和沿 主 流轨
１ ． １ 连 续流 体模 型 连续 流体模 型 主要 包 括 无 滑 移模 型 、 小 滑 移
模 型 和多 流体模 型 。其 中无 滑移 模 型是最 简单 的
气 固两相流模 型 ， 且 将 气 固两 相 流假 设 为 单 相 流
重要 意义 ， 也 有 部分 学 者 致 力 于研 究 气 固流化 床
动特 性 ；
者还 在上 述两种 模型 的基 础上 发展 了小室 模型 和
能量 最小 多尺度 模 型 。 １ 双流 体模 型
Ｃ ．Ｓ ｕ ｎ Ｂ和 Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ Ｄ将 颗 粒 相粘 度 考 虑 为 固含 率 的线性 函数 ， 对 流化 床 的流 动 特 性进 行 了数值 模拟 ；
双流体模 型主要包括 连续 流体模 型、 传 统双 流 体模型和基 于颗粒动力学理论 的欧拉双流体模 型。
国家 潜 在 油 气 资 源 （ 油 页岩 勘 探 开发 利 用 ） 产学研用合作创新建设项 目。 ｝ 刘洪鹏 ， 男， １ ９ ８ １年 ８月 生 ， 实验师。吉林省吉林市 ， １ ３ ２ ０ １ ２ 。
动 概念 为基 础 的代 数模 型 （ Ｈｉ ｎ ｚ ｅ — Ｔ ｃ ｈ ｅ ｎ公 式简 称
道 的时均 滑移 ， 且 气 固相 具 有 各 自的特 性 参 数 分
布 。
１ ． ２ 传 统双流 体模 型
学者 针对 循环 流化 床提 出 了许 多数 学模 型 。
根 据对气 固 两相 流 离 散 相处 理 的不 同 ， 可 分 为 双流 体模 型和颗 粒轨 道模 型 。双流体模 型是 基 于欧拉 方法 坐标 系 建 立 的 ， 该 模 型 将 颗 粒视 为拟 流体 ， 认 为颗 粒 与流体 是互相 渗透 的连续 介 质 ； 颗
粒 轨道 模型 是基 于 拉 格 朗 日坐 标 系建 立 的 ， 把 流 体作 为连续 介质 ， 颗粒 作 为离散介 质 ， 在拉 格 朗 日
坐标 系下研 究 颗 粒 的 运动 。此 外 ， 近 年 来 一 些学
度模拟 了鼓 泡床 的流体 力 学行 为 ； ｂ ．常粘 模 型 ， Ｔ ｓ ｕ ｏ Ｙ Ｐ和 Ｇ ｉ ｄ ａ ｐ ｏ ｗ Ｄ将颗 粒 相粘 度考 虑为 常 数 ， 对 流化 床 气 固流动 特 性 进 行 了模 拟 ， 但该模 型 无 法从 根 本 上 解 释气 固两 相 流
摘 要 对 循 环 流 化 床 气 固 两相 流 动 数 值 模 拟 的 研 究进 展 进 行 介 绍 ， 包括 传 统 的 欧拉 双 流 体 模 型 、 基 于
颗 粒 动 力 学理 论 的 双 流 体 模 型 、 基 于拉 格 朗 日坐标 系下 的颗 粒轨 道 模 型 、 能 量 最 小 多尺 度 模 型 和 小 室模 型， 并对上述模型的原理、 发 展 和 优 缺 点进 行 了描 述 。
关键词 循 环 流化 床 气 固 两相 流动 欧拉 双 流体 能量 最 小 多尺 度
中 图分 类 号
Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． １
文 献 标 识 码 Ａ
文章编号
０ ２ ５ ４ － ６ ０ ９ ４ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ — ０ ０ ０ ６ — ０ ４
循 环流化 床 以其燃 料适应 性广 、 燃烧 效率 高 、 污 染物 排放低 以及 负荷 调节范 围大等优 点在 能源 和化工 领域得 到广 泛 应用 … 。 因此 ， 详 细研 究 其 炉 内气 固两 相流 动特性 对循 环流 化床 的发展 具有
化
工 机 械
２ ０ １ ４钜
循 环 流 化 床气 固两 相流 动数 值 模 拟 的研 究 进展
刘 洪鹏 。 肖剑 波 王 敬斌。 王 擎
（ １ ．油 页 岩 综 合利 用 教 育 部 工 程 研 究 中 心 ， 东 北 电 力 大学 能 源与 动 力 工 程 学 院 ； ２ ．华 能应 城热 电有 限责 任 公 司 ； ３ ．河 北 华 热 工 程 设 计 有 限 公 司 ）
第４ １ 卷
第 １ 期
化
工
机
械
７
ｄ ．ｋ － ６ ． Ａ 。 ， 用湍流模 型 （ ｋ － ｅ ） 来 描 述 气 相 流 动， 颗粒 相 湍流 粘性 系数 采 用 以颗 粒追 随流 体 脉
相， 对 大量 颗粒 轨 迹进 行 统 计 分 析 就 能得 到 颗 粒 群 运 动 的概 况 。通 过 颗 粒 在 流场 中 的受 力 分 析 ， 建 立基 于 牛顿第 二 定 律 的运 动方 程 ， 进 而 通 过 积 分 得 到每个 颗粒 的运 动轨迹 。 离散单 元 方 法 （ Ｄ Ｅ Ｍ） 是 ２ Ｏ世 纪 ７ ０年 代 初 由Ｃ ｕ ｎ ｄ ａ ｌ ｌ 和Ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ提 出的一 种 分 析 不 连 续 岩 体
传 统双 流体模 型 将 颗 粒 相视 为拟 流 体 ， 控 制
方 程与 气相 有相 同形 式 ， 关 键 在 于如 何 封 闭模 型
中 固相 动量方 程 的剪 切应 力 ， 笔 者 介 绍 了 以下 几
种形式 的计 算模 型 ：
ａ ．无 粘 模 型 ， Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ Ｄ不 考 虑 颗 粒 相 粘
环流 化床来 说 ， 进行 详 细 的 气 固 流动 特 性 的试 验 研究 是非 常 困难 的 ， 随着计 算机 性能 的不 断提高 ， 基于 计算 流体 力学 的数 值 方 法得 到 长 足 发展 ， 并
对循 环 流化 床 复 杂 多 相 流 系 统 结 构 和来自百度文库 行 的 优 化、 大型 化 起 到 至关 重 要 的作 用 。 据 此 ， 许 多
中 的气泡行 为 。然 而 对 于 大 型 的 工 业 化 内循
体， 数 值模 拟结 果 与实 际 值 误差 较 大 。小 滑 移模
型在 上一模 型 的基础 上考 虑 了固相对 于流 体 的扩 散运 动 ， 有 一定 改进 ， 但误 差仍 然较 大 。多流体 模
型考 虑 了 固相 沿垂 直于 主流速 度方 向和沿 主 流轨
１ ． １ 连 续流 体模 型 连续 流体模 型 主要 包 括 无 滑 移模 型 、 小 滑 移
模 型 和多 流体模 型 。其 中无 滑移 模 型是最 简单 的
气 固两相流模 型 ， 且 将 气 固两 相 流假 设 为 单 相 流
重要 意义 ， 也 有 部分 学 者 致 力 于研 究 气 固流化 床
动特 性 ；
者还 在上 述两种 模型 的基 础上 发展 了小室 模型 和
能量 最小 多尺度 模 型 。 １ 双流 体模 型
Ｃ ．Ｓ ｕ ｎ Ｂ和 Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ Ｄ将 颗 粒 相粘 度 考 虑 为 固含 率 的线性 函数 ， 对 流化 床 的流 动 特 性进 行 了数值 模拟 ；
双流体模 型主要包括 连续 流体模 型、 传 统双 流 体模型和基 于颗粒动力学理论 的欧拉双流体模 型。
国家 潜 在 油 气 资 源 （ 油 页岩 勘 探 开发 利 用 ） 产学研用合作创新建设项 目。 ｝ 刘洪鹏 ， 男， １ ９ ８ １年 ８月 生 ， 实验师。吉林省吉林市 ， １ ３ ２ ０ １ ２ 。
动 概念 为基 础 的代 数模 型 （ Ｈｉ ｎ ｚ ｅ — Ｔ ｃ ｈ ｅ ｎ公 式简 称
道 的时均 滑移 ， 且 气 固相 具 有 各 自的特 性 参 数 分
布 。
１ ． ２ 传 统双流 体模 型
学者 针对 循环 流化 床提 出 了许 多数 学模 型 。
根 据对气 固 两相 流 离 散 相处 理 的不 同 ， 可 分 为 双流 体模 型和颗 粒轨 道模 型 。双流体模 型是 基 于欧拉 方法 坐标 系 建 立 的 ， 该 模 型 将 颗 粒视 为拟 流体 ， 认 为颗 粒 与流体 是互相 渗透 的连续 介 质 ； 颗
粒 轨道 模型 是基 于 拉 格 朗 日坐 标 系建 立 的 ， 把 流 体作 为连续 介质 ， 颗粒 作 为离散介 质 ， 在拉 格 朗 日
坐标 系下研 究 颗 粒 的 运动 。此 外 ， 近 年 来 一 些学
度模拟 了鼓 泡床 的流体 力 学行 为 ； ｂ ．常粘 模 型 ， Ｔ ｓ ｕ ｏ Ｙ Ｐ和 Ｇ ｉ ｄ ａ ｐ ｏ ｗ Ｄ将颗 粒 相粘 度考 虑为 常 数 ， 对 流化 床 气 固流动 特 性 进 行 了模 拟 ， 但该模 型 无 法从 根 本 上 解 释气 固两 相 流
摘 要 对 循 环 流 化 床 气 固 两相 流 动 数 值 模 拟 的 研 究进 展 进 行 介 绍 ， 包括 传 统 的 欧拉 双 流 体 模 型 、 基 于
颗 粒 动 力 学理 论 的 双 流 体 模 型 、 基 于拉 格 朗 日坐标 系下 的颗 粒轨 道 模 型 、 能 量 最 小 多尺 度 模 型 和 小 室模 型， 并对上述模型的原理、 发 展 和 优 缺 点进 行 了描 述 。
关键词 循 环 流化 床 气 固 两相 流动 欧拉 双 流体 能量 最 小 多尺 度
中 图分 类 号
Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． １
文 献 标 识 码 Ａ
文章编号
０ ２ ５ ４ － ６ ０ ９ ４ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ — ０ ０ ０ ６ — ０ ４
循 环流化 床 以其燃 料适应 性广 、 燃烧 效率 高 、 污 染物 排放低 以及 负荷 调节范 围大等优 点在 能源 和化工 领域得 到广 泛 应用 … 。 因此 ， 详 细研 究 其 炉 内气 固两 相流 动特性 对循 环流 化床 的发展 具有