帶有Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床流動阻力的數值研究

劉燕，張麗梅，張少峰，杜亞威

（1.河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 300130；2.河北工業大學化工學院，天津 300130）

帶有Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床流動阻力的數值研究

劉燕1，張麗梅2，張少峰1，杜亞威1

（1.河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 300130；2.河北工業大學化工學院，天津 300130）

利用STAR-CCM+軟件建立Eulerian-Lagrangian模型，對水平管內低濃度液固兩相流動時Kenics靜態混合器的流動阻力進行了數值模擬，考察了雷諾數、Kenics靜態混合器扭率、顆粒體積分數對Kenics靜態混合器流動阻力的影響，并且通過對數據模擬結果進行多元線性回歸得到Kenics靜態混合器流動阻力摩擦系數關聯式．結果表明：在同一雷諾數下，摩擦系數隨Kenics靜態混合器扭率的增大而增大，隨體積分數的增大而增大．同時通過和文獻中的實驗、計算數據進行比較，證實了結果的可靠性．

液固循環流化床；Kenics靜態混合器；流動阻力；數值模擬；水平管

液固循環流化床換熱器因其較好的防除垢效果、高效的質量和熱量交換等優點，在生物化工、能源、廢水處理等領域得到了廣泛采用，國內外學者對其展開了深入的研究[1-5]．大多數的研究成果主要集中在豎直方向循環流化床換熱器，關于水平液固循環流化床換熱器的文獻則比較少．然而，由于水平液固循環流化床內顆粒流體系統存在非線性、結構不均勻性和流域多態性，一些學者對此進行了相關研究，王江濤[6]在水平管中加入了Kenics靜態混合器，考察了Kenics靜態混合器的結構、個數、安裝位置對液固兩相流中顆粒分布的影響．管內液固兩相流插入靜態混合器后流場相對復雜，實驗研究有其局限性．張麗梅[7]通過數值模擬的方法對帶有Kenics靜態混合器的水平管內低濃度液固兩相流動時的顆粒分布進行了研究，考察了液體流速、Kenics靜態混合器扭率、顆粒體積分數對水平管中顆粒分布的影響．因管內引入Kenics靜態混合器后，換熱管的阻力不可避免的會增加，而換熱器壓降的大小是評價換熱器性能及動力消耗的重要指標之一．

本文采用STAR-CCM+模擬軟件，建立水平管內液固兩相流歐拉-拉格朗日模型，采用湍流模型研究液相湍流特性，考慮液固兩相間耦合作用，通過數值模擬的方法對帶有Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床流動阻力特性進行了詳細研究，以期為水平液固循環流化床工業實踐應用提供了理論參考依據．

1 數值模擬

1.1 幾何模型結構參數

帶有扭率為1.5的Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床三維幾何模型及網格劃分如圖1所示．

圖1 網格劃分示意圖Fig.1Schematic diagram of mesh

圓管的內徑為29 mm，長度為4 200 mm；Kenics靜態混合器的厚度為2 mm，扭率為1.5、2、2.5、3、3. 5；管內顆粒材質為球形工程塑料，顆粒直徑3mm，顆粒密度1100kg m3，顆粒體積分率2%；3%；4%；5%；6%．

1.2 數學模型與數值求解方法

本文模擬的工質為水，而水為不可壓縮的牛頓流體，密度為常數，流動狀態為穩態．采用歐拉-拉格朗日多相流模型，在Euler坐標下考察液相運動，在Lagrange坐標系下處理顆粒相運動，考慮相間耦合作用，兩相間作用力主要考慮重力、曳力、浮力[8]，其中曳力系數采用Gidaspow模型[9]，湍流模型采用標準k-模型[10]，速度和壓力的耦合采用Simple算法，方程采用一階迎風差分格式進行離散．

1.3 邊界條件

1)入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，液固兩相給定相同的入口速度，速度大小為1 m/s、1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s；

2)出口邊界條件：出口類型設為壓力出口，出口壓力為0．

3)固壁邊界條件：對液相與管內壁接觸面采用壁面函數法和無滑移邊界條件，顆粒相與壁面碰撞為彈性碰撞反射．

1.4 兩相流雷諾數定義

本文中對液固兩相流雷諾數Rem定義為

式中：d為水平管內徑，mm；um，m，m分別為入口處兩相流體的混合速度、混合密度和混合粘度，分別按照式(2)～式(4)計算．

式中：Vs為顆粒體積分率；p，p，p分別為入口處顆粒相的速度、密度和粘度；u1，1，1分別為入口處液相的速度、密度和粘度．

本文中，因固體顆粒粘度極小，可忽略不計，因此混合粘度直接按照液相粘度計算．

2 計算結果和分析

2.1 單相流體流經水平管時的流動阻力

為了驗證模型的準確性，研究了單相流體流經水平管時的流動阻力，并與理論計算值進行了對比，所得結果如圖2所示．

單相流體流經圓形直管時的流動阻力計算公式為

由圖2可以看出：模型預測的單相流體流經水平管時的流動阻力與理論計算值趨勢一致，這表明該模型對單相流動的預測是可信的．

2.2 液固兩相流流經水平管時的流動阻力

水平管內液固兩相流動有其自身的特點，由于受到自身重力的作用，顆粒在水平管內流動一段距離后會出現下沉，導致顆粒分布不均勻現象，影響流化床性能，為此，對液固兩相流流經水平管時的流動阻力進行了模擬，并與參考文獻[14]中的實驗結果進行了對比，如圖3所示．可以發現，模型預測的水平管兩相流壓降與對比實驗結果的總體趨勢是一致的，但要比實驗結果低，這說明研究水平管內液固兩相流動的模型是正確的．2.3帶Kenics靜態混合器的液固兩相流流動阻力

2.3.1 雷諾數對Kenics靜態混合器流動阻力影響

為了改善水平管內顆粒分布不均勻現象，在水平管內安裝了Kenics靜態混合器，并考察了液固兩相流流經水平管時Kenics靜態混合器的流動阻力，模擬了不同扭率下Kenics靜態混合器流動阻力隨雷諾數的變化情況，結果如圖4所示，由圖中可以看出，在雙對數坐標下，壓降與雷諾數成線性關系，且各直線斜率十分接近．與此同時在雷諾數不變的情況下，流動阻力隨扭率的增大而減小．這與單相流流經Kenics靜態混合器時流動阻力變化情況[15]是一致的．

圖2 單相流阻力模擬值與理論值的對比Fig.2 Comparisonofsimulatedresultsandcalculated values of single phase flow resistance

圖3 兩相流阻力模擬值與實驗值的對比Fig.3Comparison of simulated results and experimental values of two phase flow resistance

圖4 兩相流阻力與Re關系圖Fig.4Relationship between flow resistance with Reynolds number

2.3.2 顆粒體積分數對Kenics靜態混合器阻力系數影響與單相流流經Kenics靜態混合器不同的是，本文還要考慮顆粒體積分數對混合器流動阻力的影響，圖6考察了扭率一定時不同顆粒體積分數下Kenics靜態混合器阻力系數隨雷諾數的變化情況，由圖中可以看出，在任一雷諾數下，隨著顆粒體積分數的增大，Kenics靜態混合器的阻力系數也隨之增大，這是因為，隨著顆粒加入量的增大，顆粒在系統中的循環量也隨之增大，兩相間摩擦增大，故阻力系數也隨之增大．

2.3.3 水平管中液固兩相流流經Kenics靜態混合器時的流動阻力系數關聯式綜上，液固兩相流流經Kenics靜態混合器時，影響流動阻力系數的因素主要有：雷諾數Re、Kenics靜態混合器的扭率Y、顆粒體積分率Vs．綜合這些因素，將Kenics靜態混合器流動阻力系數與這些因素進行關聯，取無因此形式，進行多元回歸處理，

得到關聯式式(7)的適用范圍為：Re=3×104～1×105，Vs=0.02～0.06，

Y=1.5～3.5，圖7為本實驗范圍內阻力系數計算值與實驗值的比較，由圖可以看出計算值與實驗值吻合良好，最大相對誤差為9.74 %．

圖5 不同扭率下Kenics靜態混合器阻力系數和雷諾數的關系圖Fig.5Relationship between resistance coefficientwith Reynolds number on different twist rate

圖6 不同體積分數下Kenics靜態混合器阻力系數和雷諾數的關系圖Fig.6Relationship between resistance coefficient with Reynolds number on different volume fraction

圖7 計算值與實驗值的比較Fig.7Comparison of calculated values withexperimenta datas

3 結論

1）在Kenics靜態混合器結構和流體屬性不變的情況下，壓降和雷諾數在雙對數坐標下呈線性關系．

2）固相體積分數不變時，在任一雷諾數下，Kenics靜態混合器阻力系數都隨扭率的增大而減小．

3）在Kenics靜態混合器結構不變的情況下，固相體積分數越大，Kenics靜態混合器阻力系數也越大．

4）通過多元回歸處理得到Kenics靜態混合器阻力系數關聯式，為水平液固循環流化床中Kenics靜態混合器的設計和選擇提供一定依據．

[1]賈麗云，李修倫，劉姝紅，等．液固循環流化床兩相流動模型[J]．化工學報，2000，51（4）：531-534．

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[3]劉燕，王琦，趙斌，等．液固循環流化床換熱器中顆粒分布板分布性能的實驗研究[J]．河北工業大學學報，2006，35（6）：18-24．[4]Müller-Steinhagen H，Malayeri M R，Watkinson A P．Fouling of heat exchangers-new approaches to solve an old problem[J]．Heat Transfer Engineering，2005，26（1）：1-4．

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[責任編輯 田豐]

Numerical simulation of flow resistance in liquid-solid horizontal circulating fluidized bed with Kenics static mixer

LIU Yan1，ZHANG Limei2，ZHANG Shaofeng1，DU Yawei1

(1.School of Marine Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.School of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Flow resistance due to Kenics static mixer of liquid-solid two-phase flow for low concentration in horizontal pipe was numerically studied using the Eulerian-Lagrangian model in software STAR-CCM+.Influences of Reynolds number,twist rate of Kenics static mixer and particle volume fraction on the flow resistance of Kenics static mixer were investigated.Correlations about friction coefficient of flow resistance in Kenics static mixer were obtained by multiple linear regression.The results show that the friction coefficient increases with the rise of Kenics twist rate and particle volume fraction with the same Reynolds number.The reliability of simulation result was validated when compared with various experimental and computational data reported in the literature.

liquid-solid circulatingfluidizedbed;Kenics staticmixer;flowresistance;numerical simulation;horizontal tube

TQ051.1

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.015

1007-2373(2015)05-0075-05

2014-05-08

河北省科技支撐計劃項目（12276711D）

劉燕（1970-），女（蒙古族），副教授，博士，julia_liuyan@hotmail.com．

數字出版日期：2015-10-10數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151010.1056.006.html