基于欧拉-拉格朗日方法的倒置液固流化床及喷动床流动特性数值模拟研究

【摘要】：在液固流态化中,表面附有亲油疏水涂层的凝胶颗粒在重力和曳力的作用下呈流态化运动,与油田含油污水充分混合即可达到油滴捕获的目的,因此流态化技术逐渐地被应用到油田污水处理领域中。由于液固两相流动较为复杂且目前实际应用相对较少,因此本文选择数值模拟的方法对倒置液固流化床和倒置液固喷动床内的液固两相流动中的双组份颗粒流动特性进行研究,为工业中的实际生产提供一些理论支持。本文主要基于欧拉-拉格朗日理论框架,使用计算流体力学耦合离散元(CFD-DEM)方法对Quevedo等建立的倒置液固流化床内双组份颗粒的流动特性进行二维数值模拟和对倒置液固喷动床内的双组份颗粒流动进行拟二维数值模拟。使用欧拉体系处理液相运动,拉格朗日体系计算离散颗粒相的运动轨迹,选用Gidaspow曳力模型求解液固相间曳力并且采用标准k-ε模型描述液相湍流影响,研究了入口油浓度、入口液相速度、凝胶-油颗粒碰撞弹性恢复系数、液相粘度和凝胶颗粒粒径等物性参数和操作参数对倒置液固流化床和喷动床内液固两相流流动特性的影响。研究结果表明,在倒置液固流化床中,增大凝胶-油颗粒碰撞弹性恢复系数可使得颗粒动能增大且颗粒脉动变强,有利于改善流化床内的颗粒流化状态;随着液相粘度和入口液相速度的增大,使得床层膨胀高度最大可变为原来的3.1倍,甚至油颗粒会在变强的液相携带作用下随着液相流出流化床;当入口油浓度从390mg/L增大为780mg/L时,流化床内开始出现颗粒分层现象,使得双组份颗粒的混合程度变差,降低了流化床的污水处理效率。与倒置液固流化床相比,倒置液固喷动床呈现出颗粒浓度对称分布、射流直径上窄下宽的特点。增大凝胶-油颗粒碰撞弹性恢复系数,改善了床内右侧壁面处的颗粒局部团聚现象;减小入口液相速度和增大凝胶颗粒粒径均可使得喷动床内的偏流现象得到明显改善;增大入口油浓度发现喷动床避免了颗粒分层现象的弊端,使其可完全流化的油颗粒数目增大为原来的2倍以上,增强了喷动床的污水处理能力。