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外场作用下流化床中气固两相流动数值模拟

李响  
【摘要】: 气固两相流化床已广泛应用于能源、化工、制药、石油等领域。为了改善流化床的流化质量,通常采用对颗粒表面进行改性或者加入外能量场的方法,消除流化过程中出现的气固混合不均匀、扬析、沟流、颗粒损失等现象。目前常用的外能量场有振动场、磁场、声场、电场等。随着计算机性能的提高,离散元方法(DEM)在稠密气固两相流动数值模拟中得到广泛应用。研究结果较好地复现了实际颗粒流化过程,预测了颗粒流动机理。本文将对振动场、磁场和声场作为外加能量场的流化床内气固两相流动特性进行数值模拟,从宏观运动和受力分析角度研究外场对气固流动的影响。采用Euler-Lagrange方法模拟气体和颗粒流动,颗粒碰撞采用软球模型。同时考虑外场对颗粒受力的影响,建立不同外场作用下颗粒运动模型。采用FORTRAN语言,自行编写计算程序。为减小数值模拟运算量,在颗粒搜索方式上采用了定区域升序搜索,以提高运算速度。通过上述模拟方法对外场作用下的流动现象进行复现,讨论了不同参数对气固流化特性的影响。 对于振动辅助气固流化床,考虑床体振动引起布风板所在的计算网格中心位置变化对空隙率和气体压力计算的影响,建立了振动辅助气固流化床的Euler-DEM计算模型,数值模拟研究床体竖直振动(整床振动)流化床中气体-颗粒流动过程。研究振动幅值和振动频率对颗粒速度、浓度分布等的影响,分析振动能量从布风板传入气固两相流体的传播机理。数值模拟发现,布风板振动导致布风板表面形成周期的低颗粒浓度区,振动空隙的出现促使床层内大气泡生成。沿床高形成了受振动空隙影响的近布风板低颗粒浓度区域、床层中部高浓度区域和床层表面的过渡区域。随着振动幅值和振动频率增加,平均颗粒浓度、颗粒速度、曳力径向分布都趋于均匀。随布风板振动床层气体压力和气体压降均呈现周期振荡,由快速傅立叶变换(FFT)得到的气体压力波传播速度随振动频率增加而增大。布风板产生的振动能量主要通过:(1)在布风板加速运动周期中布风板与颗粒之间的非弹性碰撞作用;(2)布风板减速运动周期中由气体压力波传递给床内气体-颗粒两相流体。当振动幅值一定时(1.5mm),在振动频率小于约15Hz时,方式(1)起能量传递的主导作用;在高频时,主要由方式(2)实现能量的传递。 对于梯度磁场辅助气固流化床,考虑磁颗粒受梯度磁场作用力和磁颗粒之间的磁感应力,建立梯度磁场作用下流化床内气体-颗粒两相流动Euler-DEM模型,数值模拟研究外加竖直梯度磁场下磁颗粒气固流化床中气固流动特性。分析不同磁感应强度对磁颗粒扩散、浓度分布和受力特性等的影响。从颗粒受力角度分析床层由鼓泡流化转变为固定床的过程。数值模拟发现,在梯度磁场作用下床内磁颗粒将形成磁针或磁链,抑制了大气泡的产生。随着磁感应强度的增加,磁链不断增长,颗粒运动速度降低,颗粒扩散系数下降。同时随着磁感应强度增加,床层气体流动由乳化态的气泡转变为通过磁链间气体通道的“射流”流动,气泡消失,床层内出现高颗粒浓度的几率增大,气体-颗粒流动由聚式流态化转变为颗粒“静止”。计算结果表明随着磁感应强度增加,颗粒拟温度、平均床层压降标准方差、压力波速度先增大后降低。当磁感应强度小于0.03T时,颗粒运动主要受曳力的控制;当大于0.03T后颗粒流动逐渐转变为受颗粒间磁感应力的控制。当磁感应强度大于约0.065T时,形成磁固定床。 对于声场辅助气固流化床,考虑粘性力和声波力对颗粒运动的影响,建立声场辅助气固流化床气体-颗粒两相流动Euler-DEM模型。数值模拟下置声源流化床中气固流动特性。分析不同颗粒粘度、声压级、声波频率对气泡生长、床层压降、颗粒受力等的影响。数值模拟发现,声场有利于破坏沟流和大颗粒聚团的破碎,膨松床层,减小最小流化速度。随着声压级的增大,声波对颗粒作用力增大,床层内出现高颗粒浓度几率减小,平均颗粒拟温度增大。在同声压级下声波频率增大,颗粒受到的合外力先增大后减小,颗粒间粘性力、高颗粒浓度分布几率和平均颗粒拟温度呈现先减小后增大趋势。研究结果表明,当声压级为120dB声波频率小于120Hz时,随着声波频率增加,颗粒易于分离;当声波频率大于120Hz时,随着声波频率增加,颗粒易于聚团。


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