外場作用下流化床中氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬

外場作用下流化床中氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬氣固兩相流化床已廣泛應(yīng)用于能源、化工、制藥、石油等領(lǐng)域。為了改善流化床的流化質(zhì)量,通常采用對顆粒表面進(jìn)行改性或者加入外能量場的方法,消除流化過程中出現(xiàn)的氣固混合不均勻、揚(yáng)析、溝流、顆粒損失等現(xiàn)象。目前常用的外能量場有振動(dòng)場、磁場、聲場、電場等。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高,離散元方法(DEM)在稠密氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。研究結(jié)果較好地復(fù)現(xiàn)了實(shí)際顆粒流化過程,預(yù)測了顆粒流動(dòng)機(jī)理。本文將對振動(dòng)場、磁場和聲場作為外加能量場的流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,從宏觀運(yùn)動(dòng)和受力分析角度研究外場對氣固流動(dòng)的影響。采用Euler-Lagrange方法模擬氣體和顆粒流動(dòng),顆粒碰撞采用軟球模型。同時(shí)考慮外場對顆粒受力的影響,建立不同外場作用下顆粒運(yùn)動(dòng)模型。采用FORTRAN語言,自行編寫計(jì)算程序。為減小數(shù)值模擬運(yùn)算量,在顆粒搜索方式上采用了定區(qū)域升序搜索,以提高運(yùn)算速度。通過上述模擬方法對外場作用下的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)現(xiàn),討論了不同參數(shù)對氣固流化特性的影響。對于振動(dòng)輔助氣固流化床,考慮床體振動(dòng)引起布風(fēng)板所在的計(jì)算網(wǎng)格中心位置變化對空隙率和氣體壓力計(jì)算的影響,建立了振動(dòng)輔助氣固流化床的Euler-DEM計(jì)算模型,數(shù)值模擬研究床體豎直振動(dòng)(整床振動(dòng))流化床中氣體-顆粒流動(dòng)過程。研究振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率對顆粒速度、濃度分布等的影響,分析振動(dòng)能量從布風(fēng)板傳入氣固兩相流體的傳播機(jī)理。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),布風(fēng)板振動(dòng)導(dǎo)致布風(fēng)板表面形成周期的低顆粒濃度區(qū),振動(dòng)空隙的出現(xiàn)促使床層內(nèi)大氣泡生成。沿床高形成了受振動(dòng)空隙影響的近布風(fēng)板低顆粒濃度區(qū)域、床層中部高濃度區(qū)域和床層表面的過渡區(qū)域。隨著振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率增加,平均顆粒濃度、顆粒速度、曳力徑向分布都趨于均勻。隨布風(fēng)板振動(dòng)床層氣體壓力和氣體壓降均呈現(xiàn)周期振蕩,由快速傅立葉變換(FFT)得到的氣體壓力波傳播速度隨振動(dòng)頻率增加而增大。布風(fēng)板產(chǎn)生的振動(dòng)能量主要通過:(1)在布風(fēng)板加速運(yùn)動(dòng)周期中布風(fēng)板與顆粒之間的非彈性碰撞作用;(2)布風(fēng)板減速運(yùn)動(dòng)周期中由氣體壓力波傳遞給床內(nèi)氣體-顆粒兩相流體。當(dāng)振動(dòng)幅值一定時(shí)(1.5mm),在振動(dòng)頻率小于約15Hz時(shí),方式(1)起能量傳遞的主導(dǎo)作用;在高頻時(shí),主要由方式(2)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。對于梯度磁場輔助氣固流化床,考慮磁顆粒受梯度磁場作用力和磁顆粒之間的磁感應(yīng)力,建立梯度磁場作用下流化床內(nèi)氣體-顆粒兩相流動(dòng)Euler-DEM模型,數(shù)值模擬研究外加豎直梯度磁場下磁顆粒氣固流化床中氣固流動(dòng)特性。分析不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對磁顆粒擴(kuò)散、濃度分布和受力特性等的影響。從顆粒受力角度分析床層由鼓泡流化轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ù驳倪^程。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在梯度磁場作用下床內(nèi)磁顆粒將形成磁針或磁鏈,抑制了大氣泡的產(chǎn)生。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,磁鏈不斷增長,顆粒運(yùn)動(dòng)速度降低,顆粒擴(kuò)散系數(shù)下降。同時(shí)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,床層氣體流動(dòng)由乳化態(tài)的氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^磁鏈間氣體通道的“射流”流動(dòng),氣泡消失,床層內(nèi)出現(xiàn)高顆粒濃度的幾率增大,氣體-顆粒流動(dòng)由聚式流態(tài)化轉(zhuǎn)變?yōu)轭w?！办o止”。計(jì)算結(jié)果表明隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,顆粒擬溫度、平均床層壓降標(biāo)準(zhǔn)方差、壓力波速度先增大后降低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.03T時(shí),顆粒運(yùn)動(dòng)主要受曳力的控制;當(dāng)大于0.03T后顆粒流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭茴w粒間磁感應(yīng)力的控制。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于約0.065T時(shí),形成磁固定床。對于聲場輔助氣固流化床,考慮粘性力和聲波力對顆粒運(yùn)動(dòng)的影響,建立聲場輔助氣固流化床氣體-顆粒兩相流動(dòng)Euler-DEM模型。數(shù)值模擬下置聲源流化床中氣固流動(dòng)特性。分析不同顆粒粘度、聲壓級(jí)、聲波頻率對氣泡生長、床層壓降、顆粒受力等的影響。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),聲場有利于破壞溝流和大顆粒聚團(tuán)的破碎,膨松床層,減小最小流化速度。隨著聲壓級(jí)的增大,聲波對顆粒作用力增大,床層內(nèi)出現(xiàn)高顆粒濃度幾率減小,平均顆粒擬溫度增大。在同聲壓級(jí)下聲波頻率增大,顆粒受到的合外力先增大后減小,顆粒間粘性力、高顆粒濃度分布幾率和平均顆粒擬溫度