外場作用下流化床中氣固兩相流動數(shù)值模擬

外場作用下流化床中氣固兩相流動數(shù)值模擬氣固兩相流化床已廣泛應用于能源、化工、制藥、石油等領域。為了改善流化床的流化質(zhì)量,通常采用對顆粒表面進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、揚析、溝流、顆粒損失等現(xiàn)象。目前常用的外能量場有振動場、磁場、聲場、電場等。隨著計算機性能的提高,離散元方法(DEM)在稠密氣固兩相流動數(shù)值模擬中得到廣泛應用。研究結果較好地復現(xiàn)了實際顆粒流化過程,預測了顆粒流動機理。本文將對振動場、磁場和聲場作為外加能量場的流化床內(nèi)氣固兩相流動特性進行數(shù)值模擬,從宏觀運動和受力分析角度研究外場對氣固流動的影響。采用Euler-Lagrange方法模擬氣體和顆粒流動,顆粒碰撞采用軟球模型。同時考慮外場對顆粒受力的影響,建立不同外場作用下顆粒運動模型。采用FORTRAN語言,自行編寫計算程序。為減小數(shù)值模擬運算量,在顆粒搜索方式上采用了定區(qū)域升序搜索,以提高運算速度。通過上述模擬方法對外場作用下的流動現(xiàn)象進行復現(xiàn),討論了不同參數(shù)對氣固流化特性的影響。對于振動輔助氣固流化床,考慮床體振動引起布風板所在的計算網(wǎng)格中心位置變化對空隙率和氣體壓力計算的影響,建立了振動輔助氣固流化床的Euler-DEM計算模型,數(shù)值模擬研究床體豎直振動(整床振動)流化床中氣體-顆粒流動過程。研究振動幅值和振動頻率對顆粒速度、濃度分布等的影響,分析振動能量從布風板傳入氣固兩相流體的傳播機理。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),布風板振動導致布風板表面形成周期的低顆粒濃度區(qū),振動空隙的出現(xiàn)促使床層內(nèi)大氣泡生成。沿床高形成了受振動空隙影響的近布風板低顆粒濃度區(qū)域、床層中部高濃度區(qū)域和床層表面的過渡區(qū)域。隨著振動幅值和振動頻率增加,平均顆粒濃度、顆粒速度、曳力徑向分布都趨于均勻。隨布風板振動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頻率增加而增大。布風板產(chǎn)生的振動能量主要通過:(1)在布風板加速運動周期中布風板與顆粒之間的非彈性碰撞作用;(2)布風板減速運動周期中由氣體壓力波傳遞給床內(nèi)氣體-顆粒兩相流體。當振動幅值一定時(1.5mm),在振動頻率小于約15Hz時,方式(1)起能量傳遞的主導作用;在高頻時,主要由方式(2)實現(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力,建立梯度磁場作用下流化床內(nèi)氣體-顆粒兩相流動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特性。分析不同磁感應強度對磁顆粒擴散、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。隨著磁感應強度的增加,磁鏈不斷增長,顆粒運動速度降低,顆粒擴散系數(shù)下降。同時隨著磁感應強度增加,床層氣體流動由乳化態(tài)的氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^磁鏈間氣體通道的“射流”流動,氣泡消失,床層內(nèi)出現(xiàn)高顆粒濃度的幾率增大,氣體-顆粒流動由聚式流態(tài)化轉(zhuǎn)變?yōu)轭w?！办o止”。計算結果表明隨著磁感應強度增加,顆粒擬溫度、平均床層壓降標準方差、壓力波速度先增大后降低。當磁感應強度小于0.03T時,顆粒運動主要受曳力的控制;當大于0.03T后顆粒流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭茴w粒間磁感應力的控制。當磁感應強度大于約0.065T時,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動的影響,建立聲場輔助氣固流化床氣體-顆粒兩相流動Euler-DEM模型。數(shù)值模擬下置聲源流化床中氣固流動特性。分析不同顆粒粘度、聲壓級、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的破碎,膨松床層,減小最小流化速度。隨著聲壓級的增大,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