PDF《循环流化床内稠 密气固两相 流动的数 值模拟》

第23卷 第 5期

2 0

0 3年 5月 中国电机工程学报ProceedingsoftheCS EE V o

1 .

2 3No . 5M a y

2 0

0 3 ~2

0 0

3 Ch i n . S o c . f o r El e c . En g 文章编 号:0

2 5

8 .

8 0

1 3(

2 0

0 3 )

0 5 .

0 1

6 1 .

0 5 中图分 类号 :T K

2 2

3 文献标识码:A 学科分类号:4

7 0 ・

2 0

4 0 循环流化床 内稠密气 固两相 流动 的数值模拟 刘向军 , 徐旭常2 (

1 .北京科技 大学热能系, 北京

1 0

0 0

8 3 ;

2 .煤的清洁燃烧技术国家重点 实验室,清华大学 北京

1 0

0 0

8 4 ) NU Ⅱ RI CAL S D ULATI oN oF THE DENS E TW o- P HAS E F LoW I N A GAS - P ARTI CLE CI RCUL棚NG FL UI I ) I ZED B ED L I UX i a n g - j u n , XUXu ― c h a n g (

1 . T h e r ma l E n g i n e e r i n g De p a r t me n t , B e i j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y , B e i j i n g

1 0

0 0

8 3 ,C h i n a ;

2 . T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Cl e a n C o mb u s t i o n o f C o a l , T s i n g h u a U n iv e ~i t y, B e i j i n g

1 0

0 0

8 4 , C h i n a ) ABS TRACT:P a r t i c l e c l u s t e r i n g i s a l l i m p o r t a n t p h e n o me n o n i n d e n s e p a r t i c l e ・ - g a s t wo ・ - p h a s e f lo w,I n t h i s p a p e r ,a b i nd i n g f or c e i s i nt r o d u c e d t o p r e s e n t t he i m p a c t o f p a r t i c l e c l u s t er i n g a n d a l i n e a r e x p r e s s i o n o f t h i s b i nd i n g f o r c e i s o b t a i n e d b y s u mm a r i z i n g a l l t hef o r c e sa ct e do no n ep a r t i c l ei ns i d e ac l u s t er . Di v i d i n g t he d e n s e t wo - p h a s e f l o w f ie l d i n a g a s- p a r t i c l e c i r c u l a t i n g f lu i d i z e d b e d i n t o g a s- r i c h d i l u t e p h a se a n d s o l i d - r i c h c l u s t er p h a se ,t he d e n s e g a s- p a r t i c l e t w o - p h a s e f l o w f i e l d i n a c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d( C F B) i s n u me r i c a l l y s t u d i e d . T h e p a r t i c l e c l u s t er i s t r e a t e d a s o n e ~ s c r et e p h a se a n d t he t r a j e c t o r y mo d e l i s u s e d t o d e s c r i b e t he b eh a v i o r o f c l u s t er s i n e v e r y t i me s t ep .De t a i l e d r es u l t s o n c l u s t er s t r u c t u r e ,c l u s t er s i z e , b e d v o d i a g e , g a s v e l o ci t y, a nd p a r t i c l e v e l o c i t y a l e o b t a i n e d , a n d t he n o n - u n i f or mi t y o f t wo - p h a se f l o w f i e l d a nd t he C O r e- a n n u l u s f lo w s t r u c t u r e i n a CF B C a n b e s u c c e s s f u l l y s i m u l a t e d .Th e s e c a lc da t e d r es u l t s a r e i n a g r e e me n t wi t h e x p e r i me n t o n e s . I t s h o ws t ha t t he s e mo d e l s a n d a lg o r i t h m a l e f e a si b l ea n d C a n b e u s e dt o s t u d yt hed e n s et w o - p h a s ef lo w i n a CF B e f f i c i e n t l y . KEY W ORDS: Bo i l e r ;

De m e t wo - p h a s e f lo w;

Cl u s t e r s ;

Nu me r i c a l s i mu l a t i o n . 摘要 :颗粒团聚 是稠密气 固两相 流动 中的一个重要 现象 , 该 文定义 了颗粒 团聚合 力的概念来表 征稠密气 固两相流动 中颗粒所受到 的团聚效应 ,对 单个颗粒进行 了全受力分析, 得到 了聚合力 的线形模型表达 式.采用 聚合 力的线形模型, 将两相流场分为稀相区和浓相颗粒 团,将颗粒 团视为整体 基金项目:国家重点基础研究专项经费项 目(G1

9 9

9 0

2 2

2 0

8 ―

8 ) P r o j e c t S u p p o r t e d b y S p e c i a l F u n d o f t h e N a t i o n a l P r i o r i t y B a s i c R e s e a r c h o f C h i n a ( G1

9 9

9 0

2 2

2 0

8 ―

8 、 . 离散相 ,文中数值模拟 了循环流化 床 内的稠 密气 固两相流 动,得到了床内颗粒团分布、颗粒团大小、床内空隙率、 气相速度 、颗粒相 速度的详细分布 ,揭示 了循环流化床 内 稠密气固两相流场的规律,以及循环流化床 内两相流场的 核心. 环 形流 动结 构 .计 算 结果与 前人 实验 结果相 符并表 明,采用该模 型及 其算法模拟 循环流化床 内稠密气 固两相 流动 是可行 的. 关键 词:锅炉;

稠密气 固两相流动 ;

颗粒 团;

数值模 拟1引言 气固两相流在工业生产 中应用广泛,它包括 稀疏、中浓度和高浓度的两相流动,对于后两类浓 度较高的两相流动 ( 如气力输送、循环流化床 内的 流动 ) ,颗粒 内部的相互作用十分剧烈、复杂,原 有的建立在稀疏悬浮流假设基础上的两相流动 的模 型与算法 已不再适合【 一.发展稠密两相流动数学 模型,对气固两相流的发展具有重大意义. 稠密两相流动 的数值模拟近年来受 到广泛重 视 ,目前的模拟办法多倾 向于采用多流体模型,但 对于颗粒的复杂变化经历 ( 如物理、化学特性随时 间的变化经历 ) ,多流体模型难以描述 .因此 ,许 多研究者一直尝试采用轨道模型来研究稠密两相流 动.采用轨道模型来研究稠密两相流动的关键在于 模拟颗粒之 间的相互作用.L o r e n c o t 等人采用直 接求解带碰撞项的 B o l t z ma n n方程的方法模拟了水 平管道内气固两相流动;

B. Oe s t e r l e t

4 1 等人提出一种 维普资讯 http://www.cqvip.com

1 6

2 中国电机工程学报第23卷考虑颗粒碰撞 的Lagrangian方法 ,在轨道计算 中 考虑环境粒子的影响, 加入模拟的颗粒碰撞 . T a n a k a 和Tsujit采用直接模拟 Mo n t e ― C a r l o算法 ,将颗粒 的自由运动与颗粒 间的相互碰撞解耦 ,通过反复计 算颗粒 的自由运动和颗粒间的相互作用获得颗粒的 运动特性.上述方法都能在一定程度上模拟出稠密 两相流中颗粒相的分布, 能较好地揭示出气 固两相 局部结构的规律.但 由于其研究对象是单个颗粒, 受计算量及算法的限制 ,到 目前为止,用轨道模型 来研究稠密两相流动还只能用于模拟小尺度物理模 型 内的流动 问题,模拟 的颗粒数较少,模拟结果 尚 不能揭示出稠密气 固两相流动宏观整体上的分布规 律 .对于工程意义上流动特性的稠密两相流动数学 模型的研究还有待进行 . 稠密气固两相流动 的一个重要现象就是颗粒 团聚, 它是气 固两相流尤其是稠密两相流动 中常 见的一种现象,是指部分颗粒在气体一 颗粒、颗粒 一 颗粒间的相互作用下聚集成 团, 作为一个整体 流体 团在两相流场 中运动 ( 反应) .但 同时,此颗 粒 团又随时可能在气动力 、颗粒碰撞的作用下与其 他颗粒聚集或破碎成多个小颗粒团.研究稠密两相 流动特性,颗粒团聚 问题是其关键.文[

6 】 定义了颗 粒团聚 合力的概念 ,来表征颗粒所 受到 的团聚效 应,将两相流场分为稀相区和浓相颗粒团.稀相区 颗粒 以单颗粒的形式存在 ,体积份数小,是气体为 主的连续相,稀相区颗粒 的运动采用无滑移模型, 并假设颗粒在稀相区是均匀随机分布的.浓相颗粒 团由多个颗粒所组成,在模拟 中每时间步长 内把它 作为一个整体,作为流场 中的离散相,采用颗粒轨 道模型,研究其在床内的形成、运动及破碎经历, 本文采用文[

6 】 所提 出的算法,以清华大学煤燃烧 国 家重点实验室循环流化床排烟脱硫装置为研究对 象,数值模拟研究了床 内两相流动.

2 研 究对象及计 算工况 本文 的研究对象是清华大学煤燃烧 国家重点实 验室中温干法循环流化床排烟脱硫装置,此装置反 应器内径

0 .

2 0

3 m, 床高 ( 布风板到床顶)5 .

3 5

0 m, 床温操作范围为

4 0

0 ―

8 0

0 ℃,床 内平均风速一般在

4 . 3―

5 . 5m/ s ,物料 ( 煤粉灰)平均粒径为

8 8 l a i n, 本 文取悬浮区开始一段

2 .

0 m高的床段为计算域 ,忽 略入 口 段及 出口段 的周向不均匀性,循环流化床 内 的流动可简化为轴对称问题,计算工况选取如表

1 .

3 数学模型及计算方法

3 . 1气相控制方程 气相湍流模型采用 双模型 ,对于本文所 研 究的轴对称问题,其通用形式的控制方程表示为 ( M ≯ ) + ( 卯v≯):(r)+OX r 、 . O x Ox 一10( r r 妒+妒+ I o r o r 式中

7 7 为当地空隙率 :其它具体各项含义见表

2 . =1一No v p| vI j 式中 为当地网格体积;

Ⅳ i j 为该 网格 内颗粒总 数;

为单个颗粒体积. 本文所研究 的中温干法循环流化床排烟脱硫 装置床温操作范 围为

4 0

0 ―

8 0

0 " C,每种工况操作 中,床内温度基本保持不变,因此在本文计算中取 床温恒定,为500℃. 表1工况参数 T a b .

1 Op e r a t i o n p a r a me t e r s 计算域高 H i m

2 单个颗粒粒径 d / ~ . m

8 8 计算域半径 D i m O .

1 0

1 5 平均颗粒体积分数, %

3 进口风速 v / ( m・ S - )

5 .

0 床 内颗粒总体积 V i m3

1 .

9 4

2 xl 床内温度 T PC

5 0

0 床 内颗粒总个数 Ⅳ , 个5.44xl

0 9 气体密度 k g ・ m -

3 )

0 .

4 2

4 颗粒密度p J ( k g . m-

3 )

1 7

0 0 表2气相控制方程 Ta b .

2 Go v e r n i n g e q u a t i o n s f o r g a s p h a s e 表中 ~= / z + c a # d / e ;

c , =

2 g . [ ( a " )

2 +( a " / a r ) " Jc x ) 】 + 【 ( a ( a " 肚)】:Cl=1.44;

c2 =

1 .

9 2 : c .

9 9 : j =1 .

0 : a 净1.3维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期刘向军等: 循环流化床内稠密气固两相流动的数值模拟

3 . 2颗粒相的控制方程 (

1 )颗粒相的运动方程 实验研究表明,颗粒团是 由30~1000个颗粒 组成 的直径小于 l c m 的絮状物,团内颗粒体积份 数一般为

4 1 %~

5 0 %.团内颗粒之间、颗粒与气体 存在复杂 的相互作用 ,但 在每一时刻它作为一个 整体在气动力 的作用下运动 .因此在计算 中,每 步计算 时将每个颗粒 团视为流体 团似的整体,为 离散相,采用颗粒轨道模型研究其经历,其控制 方程为 m c 生dt=∑―二,'一' 式中为颗粒团受到的合力,本文主要考虑 气动阻力和重力对颗粒 团运动的影响. 颗粒团运动 的阻力系数取【

7 】 c r ) : 丝(1+2一/zp-0.3

1 4x.

1 +4 ~ u p I / z ) ) Re. I t Re 式中 为稀相区气体粘度 ;

/

4 , 为浓相颗粒团内的 粘度;

且/4/ / . , - -1 +

2 .

5 o : +1

0 .

0 5 a

2 +

0 .

0 0

2 7

3 e l

6 ・

6 口(2)碰撞对象及碰撞概率的确定 颗粒团 k在流场 中运动 ,与其他颗粒 ( 团) J 相碰撞的概率为 p k n :k g ~ A t / N 式中 , l 为网格 内j『颗粒( 团) 的数密度;

为颗粒 团 k的底面积 ;

踟 为相对速度 ;

Ⅳ 为网格内的总 颗粒( 团) 数.详 见文【

8 ] . (

3 )碰撞模型 采用文【

9 ] 中定义的聚合力 及其表达式为 = (

0 . l ∑, w +

0 .

0 1 ∑ ) , 式中 Ⅳ 为颗粒密集体 内颗粒总数 ;

. 为尾 涡的 影响力【

9 】 ;

为单个颗粒间的范德华力【 l

0 】 . 聚合力 应该是颗粒所受到的所有力的综合作 用,包括尾 涡的影 响力 、范德华力 、液体桥力和 静 电力等 .液 体桥 力和静 电力通常只有一些特殊 工况才有较 大影 响(如湿度较大 ,液体桥力须考 虑).对于本文的模拟工况, 只考虑 了尾涡的影响 力及颗粒间的范德华力 颗粒团所 受到气动力 、聚合力 以及其他颗粒 碰撞的冲力,其发生合并或破碎 的概率计算如下: 设颗粒团 k与颗粒( 团) j 『 在静止气体中相遇, 合并的概率为 村 ,设颗粒在纯气动力的作用下破 碎的概率为 , 颗粒最终合并概率为【 l l 厂蔚=厂嘶一 式中岛=I-0.246Re~4~7朋f0.0046AA40.6III.85(0.O1A).6440.6