欧拉气相—欧拉固相—拉格朗日离散颗粒模型的流化床数值模拟

【摘要】：在流化床的数值模拟中,欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法是两种最常用的方法。欧拉-欧拉方法中固相守恒方程使用颗粒动理学理论进行封闭,其中固相压力、粘度等参数的确定都依赖于弹性恢复系数,该参数的选取对于描述颗粒碰撞间动量传递和耗散至关重要。在欧拉-拉格朗日方法中,通过颗粒间碰撞作用实现相间动量的传递,忽略了气固两相湍动能传递对离散颗粒运动的影响。因此发展一种合理的描述颗粒碰撞和气固两相湍动能传递的两相流模型对于准确描述颗粒碰撞作用和气固相间作用具有重要意义。基于此,本文考虑弹性恢复系数对固相碰撞过程的影响和气固相间湍动能传递对离散颗粒运动的影响,构建了一种欧拉气相-欧拉固相-拉格朗日离散颗粒耦合的两相流计算模型。离散颗粒运动遵循牛顿定律,追踪颗粒轨迹,可以得到颗粒尺度的全部信息。由颗粒碰撞的相对速度得到网格内平均弹性恢复系数,并将其引入到颗粒动理学中固相本构关系式的构建。用于预测欧拉固相的输运系数和碰撞能量耗散,进而完善了颗粒动理学中输运系数和固相本构关系式。欧拉气相和欧拉固相均作为连续介质存在,通过k-ε湍流模型考虑了气固相间湍动能传递,将欧拉气相和欧拉固相的气固两相湍动能传递与离散颗粒动力学耦合,构建离散颗粒运动计算模型,修正了欧拉气相和离散颗粒的相间能量传递。应用欧拉气相-欧拉固相-拉格朗日离散颗粒耦合模型对鼓泡床内的气固两相流动行为进行数值模拟。将计算结果与双流体模型和离散元模型的结果进行比较发现,欧拉气相-欧拉固相-拉格朗日离散颗粒耦合模型预测得到的空隙率分布更接近实验值。进一步分析鼓泡床内弹性恢复系数分布,结果表明,弹性恢复系数与床内气固流动状态有关,在床层内呈现非均匀分布。通过对系统中欧拉固相和离散颗粒的流动分析发现,欧拉固相的速度与拉格朗日离散颗粒的速度一致。数值模拟表明,改进后的耦合模型可以很好的再现颗粒在床中心上升,靠近壁面位置下降,在床内形成的内循环现象。对喷动床内气固两相流动特性进行数值模拟,分析了喷动床内喷射区和环隙区的气固两相运动状态。模拟得到的欧拉固相和拉格朗日离散颗粒速度分布均与实验相吻合。分析了颗粒温度与颗粒浓度之间的关系。由颗粒的位置得到颗粒的扩散系数分布,结果表明,颗粒在轴向方向上的扩散最为明显。通过能量分析得到能量耗散随时间的变化规律,结果表明:颗粒之间以及颗粒和壁面之间的冲击能量耗散最大。在喷动床颗粒碰撞过程的能量耗散中,冲击能量耗散占据了主导地位。基于欧拉气相-欧拉固相-拉格朗日离散颗粒耦合模型模拟研究了内循环流化床内气固两相的流动特性。对欧拉气相的速度以及欧拉固相、拉格朗日离散颗粒的速度和浓度进行统计发现,网格内欧拉固相浓度和速度变化均与拉格朗日离散颗粒吻合。模型预测出的欧拉固相的固体循环质量流量与内循环流化床中拉格朗日离散颗粒一致,而使用双流体模型和离散元模型计算的固体循环流量差异明显。模拟获得了内循环流化床内弹性恢复系数的变化。总的来说,在低速室内的弹性恢复系数大于高速室内的值。进一步研究发现,弹性恢复系数不仅和碰撞速度有关,还与颗粒浓度有关。随着颗粒浓度和拉格朗日离散颗粒的碰撞速度的增加,弹性恢复系数减小。表明本文构建的耦合模型可以再现床内弹性恢复系数的变化过程,实现对碰撞过程的修正。