縱向渦發(fā)生器排數(shù)對三維噴動床內(nèi)氣-固兩相流動影響數(shù)值模擬

張潔潔, 尚靈祎, 吳 峰, 馬曉迅,2, 楊 劍

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院， 陜西 西安 710069； 2.陜西省潔凈煤轉(zhuǎn)化工程技術(shù)中心， 陜西 西安 710069； 3.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

噴動床作為一種高效反應(yīng)處理器廣泛應(yīng)用于顆粒粉碎、顆粒干燥、化學(xué)反應(yīng)、涂層熱解等領(lǐng)域[1-4]。目前，很多研究者致力于幾種結(jié)構(gòu)固定的傳統(tǒng)噴動床的研究，但傳統(tǒng)噴動床內(nèi)環(huán)隙區(qū)顆粒體積分數(shù)較大，顆粒缺少橫向運動，嚴重影響了作為主要反應(yīng)區(qū)域的環(huán)隙區(qū)處理物料的效率[1]。針對傳統(tǒng)噴動床的以上不足，筆者提出了一種新型的帶縱向渦發(fā)生器噴動床來改善床內(nèi)多相傳遞過程，氣體經(jīng)由縱向渦發(fā)生器產(chǎn)生縱向渦流，從而強化噴動床內(nèi)環(huán)隙區(qū)與噴射區(qū)間顆粒、氣體的橫向混合。參照He等[5-6]研究的噴動床整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以此實驗數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬工作的校核標(biāo)準，在三維噴動床內(nèi)加入了縱向渦發(fā)生器(球體擾流件)，采用Fluent15.0軟件對帶縱向渦發(fā)生器噴動床內(nèi)的氣-固兩相流動特性進行了數(shù)值模擬，研究縱向渦發(fā)生器及縱向渦發(fā)生器排數(shù)對三維噴動床內(nèi)氣-固兩相流動的影響規(guī)律，并對其進行模擬優(yōu)化。

1 數(shù)學(xué)模型

采用擬流體模型將離散顆粒相處理為具有連續(xù)性的流體，顆粒相與連續(xù)相守恒控制方程形式相同，模擬計算過程中質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及曳力模型與文獻[7-8]一致。

2 模擬結(jié)果與討論

為驗證數(shù)值模擬模型的可靠性，通過數(shù)值模擬方法分析無擾流件三維噴動床并與文獻[5-6]實驗數(shù)據(jù)進行對比，數(shù)值模擬噴動床尺寸與文獻的實驗噴動床一致。以顆粒速度為分析對象，對計算模型進行網(wǎng)格無關(guān)性分析，計算網(wǎng)格數(shù)分別設(shè)定為165600、235481、340300、452452和549721。文中床高起點為噴動床進口處，圖1為在床高z=0.218 m處，不同網(wǎng)格數(shù)下軸中心的最大顆粒速度(vs, max，m/s)隨網(wǎng)格數(shù)的變化。計算表明，數(shù)值模擬的精度隨網(wǎng)格數(shù)的增加而提升，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于452452時，數(shù)值模擬結(jié)果達到了網(wǎng)格無關(guān)性的要求，筆者將此網(wǎng)格劃分密度進一步應(yīng)用于帶縱向渦發(fā)生器噴動床。無擾流件三維噴動床內(nèi)顆粒速度的模擬值與文獻實驗值對比如圖2所示，由圖2可知，顆粒速度的模擬值與實驗值變化趨勢一致，最大偏差在22%以內(nèi)，表明所采用噴動床的數(shù)值模型具有一定的合理性。筆者將采用此數(shù)值模型對單排及多排縱向渦發(fā)生器三維噴動床內(nèi)氣-固兩相流動規(guī)律進行模擬及優(yōu)化分析。

圖1 網(wǎng)格無關(guān)性Fig.1 Grid independencyz=0.218 m

圖2 不同床高下顆粒速度模擬值與實驗值Fig.2 Particle velocity comparison of numerical simulation and experimental results at different spouted bed heights U=1.3Umsvs—Particle velocity; r—Radial distance; U—Inlet gas velocity; Ums—Minimum gas inlet velocityz=0.168 m(Experiment); z=0.168 m(Simulation); z=0.218 m(Experiment); z=0.218 m(Simulation); z=0.268 m(Experiment); z=0.268 m(Simulation)

圖3為噴動床與縱向渦發(fā)生器的網(wǎng)格示意圖。縱向渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)選為球體，噴動床內(nèi)縱向渦發(fā)生器區(qū)域的網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余區(qū)域為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。數(shù)值模擬中氣體、顆粒兩相物性值的選擇參見文獻[5-6]，其中氣體密度(ρg)為 1.225 kg/m3，顆粒密度(ρs)為2503 kg/m3，氣體黏度(μg)為1.7894×10-5Pa·s，顆粒直徑(ds)為1.41 mm，顆粒體積分數(shù)(φs)為0.588, 噴動床的固定床高(H0)為325 mm，噴動床直徑(D)為152 mm,最小表觀氣速(ums)為0.54 m/s，最小氣體入口速度(Ums)為34.56 m/s，模擬采用的實際入口氣速為1.6Ums，噴動床的總床高度(z)為0.700 m。縱向渦發(fā)生器的小球半徑為10 mm，同排小球徑向球心距為30 mm，相鄰兩排小球軸向球心距為30 mm。采用雙流體模型(TFM)處理氣-固兩相傳遞過程[8]，其中氣相采用標(biāo)準k-w湍流模型描述[9]，顆粒相采用顆粒動力學(xué)理論模型處理[10]，氣-固相間作用力采用Gidapow曳力模型[10-11]；采用SIMPLE耦合算法計算壓力-速度方程[12]，對于湍流方程、動量方程采用二階迎風(fēng)離散格式，固相體積分數(shù)采用一階迎風(fēng)離散格式進行計算。計算時間步長為0.00002 s，計算殘差小于10-3，恢復(fù)系數(shù)取值為0.8。氣體入口設(shè)置為湍流速度分布，其表觀氣速u=0.864 m/s，噴動床的進口氣速方向垂直于入口邊界，其湍流強度值設(shè)置為3%，黏性率設(shè)置為0.0019。噴動床氣體出口為Outflow邊界，氣體和顆粒相在壁面處均為零滑移剪切應(yīng)力邊界條件。

圖3 噴動床與縱向渦發(fā)生器的網(wǎng)格示意圖Fig.3 Grid diagram of spouted bed with longitudinal vortex generators(a) One pair of sphere; (b) Two pairs of sphere; (c) Three pairs of sphere

2.1 顆粒體積分數(shù)分布

通過數(shù)值模擬方法重點研究縱向渦流對噴動床內(nèi)顆粒體積分數(shù)徑向分布的影響，當(dāng)計算時間為t=4 s時，噴動床內(nèi)氣-固兩相流動基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，噴動床內(nèi)呈現(xiàn)明顯的噴射區(qū)、環(huán)隙區(qū)及噴泉區(qū)結(jié)構(gòu)。流動參數(shù)時均值的計算樣本取4～6 s時間段，時間間隔為0.5 s。圖4為噴動床內(nèi)顆粒體積分數(shù)分布云圖。由圖4可知，縱向渦發(fā)生器的加入顯著增加了氣體、顆粒在噴動床內(nèi)向上運動的阻力，從而降低了噴泉高度。且隨著縱向渦發(fā)生器排數(shù)的增加，顆粒的動能損失越多，顆粒的噴泉高度逐漸降低。

圖4 噴動床內(nèi)顆粒體積分數(shù)分布云圖Fig.4 Particle volume fraction distribution cloud maps in spouted bedsφ—Particle volume fraction(a) No sphere; (b)One pair of sphere; (c)Two pairs of sphere; (d)Three pairs of sphere

圖5為不同噴動床在相同床層高度下顆粒體積分數(shù)(φ)的分布。由圖5可知，縱向渦流能夠有效影響噴動床內(nèi)顆粒體積分數(shù)的徑向分布規(guī)律，提升了近噴射區(qū)域內(nèi)顆粒的體積分數(shù)，使得顆粒沿徑向分布更加均勻。在低床層高度區(qū)域(z=0.170 m)，此區(qū)域距離縱向渦流影響區(qū)域較遠，縱向渦發(fā)生器排數(shù)對顆粒體積分數(shù)分布的影響很小。隨著床層高度的逐漸增加，分析區(qū)域逐漸進入了縱向渦流的影響范圍，縱向渦流的影響效果逐漸明顯，近噴射區(qū)顆粒體積分數(shù)隨縱向渦發(fā)生器排數(shù)的增加顯現(xiàn)先上升后下降的非線性趨勢，表明在噴動床的有限空間內(nèi)，縱向渦發(fā)生器排數(shù)設(shè)計及對顆粒徑向運動的影響能力受到了空間的限制。研究表明，在縱向渦流的影響區(qū)域，2排縱向渦發(fā)生器能夠使噴動床內(nèi)整體顆粒體積分數(shù)沿徑向分布實現(xiàn)最均勻狀態(tài)，即對噴動床內(nèi)顆粒徑向運動的強化效果達到最佳。

2.2 顆粒速度

圖6為噴動床橫截面內(nèi)顆粒速度分布云圖。由圖6可知，加入縱向渦發(fā)生器，顆粒在導(dǎo)流板兩側(cè)產(chǎn)生了二次縱向渦流，二次渦流的出現(xiàn)能夠有效地強化噴動床內(nèi)噴射區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)顆粒的徑向混合，進而增強了噴動床內(nèi)整體氣體、顆粒兩相間的動量交換。

圖7為不同噴動床在相同床層高度下顆粒徑向速度(vr)的分布。由圖7可知，縱向渦流能夠有效增加噴動床內(nèi)顆粒的徑向速度，從而強化顆粒的徑向運動能力，當(dāng)床層高度較低時(z=0.170 m)，多排縱向渦發(fā)生器及其產(chǎn)生的縱向渦流對顆粒徑向速度的影響強度要高于單排縱向渦發(fā)生器。隨著床層高度的增加，縱向渦發(fā)生器排數(shù)對噴射區(qū)內(nèi)顆粒徑向速度的影響逐漸降低，而對環(huán)隙區(qū)內(nèi)顆粒徑向速度的影響逐漸增強(z=0.230 m)。

圖5 不同噴動床在相同床層高度下顆粒體積分數(shù)(φ)的分布Fig.5 Comparison of particle volume fraction(φ) distribution in spouted beds at the same bed heightU=1.6Ums(a) z=0.170 m; (b) z=0.200 m; (c) z=0.230 m━No sphere; One pair of sphere; Two pairs of sphere; Three pairs of sphere

2.3 顆粒擬溫度

圖8給出了在不同縱向渦發(fā)生器排數(shù)的影響下，不同床高處顆粒擬溫度沿噴動床徑向距離的變化曲線。由圖8可知，噴射區(qū)內(nèi)顆粒擬溫度隨著床層高度的增加而逐漸降低，且?guī)Эv向發(fā)生器的噴動床內(nèi)顆粒擬溫度的下降速率較無擾流件的更快。在低床層高度處(z=0.170 m)，氣體縱向渦流強化了顆粒的徑向運動，一定程度上增加了顆粒擬溫度；另一方面，隨著床層高度的增加，顆粒運動進入了縱向渦流的核心影響區(qū)域，噴射區(qū)與環(huán)隙區(qū)內(nèi)的氣體、顆粒在縱向渦流影響下發(fā)生了強烈的徑向混合，有效地消耗了顆粒群的運動動能，從而降低了該區(qū)域的顆粒擬溫度，使得顆粒擬溫度隨床層高度的增加而迅速降低，甚至出現(xiàn)了低于無擾流件噴動床內(nèi)顆粒擬溫度的情況(見圖8(c))。

3 結(jié) 論

(1) 縱向渦發(fā)生器的加入顯著增加了氣體、顆粒在噴動床內(nèi)的運動阻力，從而降低了噴泉高度。且隨著縱向渦發(fā)生器排數(shù)的增加，顆粒的噴泉高度逐漸降低。

(2) 縱向渦流能夠顯著改變噴動床內(nèi)顆粒體積分數(shù)的徑向分布規(guī)律，有效地提升近噴射區(qū)域顆粒體積分數(shù)，使得顆粒沿徑向分布更加均勻。在縱向渦流充分影響區(qū)域內(nèi)，2排縱向渦發(fā)生器對噴動床內(nèi)顆粒徑向運動速度的強化效果達到最佳。

(3) 縱向渦流能夠有效增加噴動床內(nèi)顆粒的徑向速度值，強化了顆粒的徑向運動能力。多排縱向渦發(fā)生器及其產(chǎn)生的縱向渦流影響強度要高于單排縱向渦發(fā)生器。隨著床層高度的增加，縱向渦發(fā)生器排數(shù)對噴射區(qū)內(nèi)顆粒徑向速度的影響能力逐漸降低，而對環(huán)隙區(qū)及近環(huán)隙區(qū)內(nèi)顆粒徑向速度的影響逐漸增強。

圖6 噴動床橫截面內(nèi)顆粒速度分布云圖Fig.6 Comparison of velocity contours of particle phase in cross section of spouted bedsz=0.170 m(a) No sphere; (b) One pair of sphere; (c) Two pairs of sphere; (d) Three pairs of sphere

圖7 不同噴動床在相同床層高度下顆粒徑向速度(vr)的分布Fig.7 Comparison of particles radial velocity (vr) distribution in spouted beds at the same bed heightU=1.6Ums(a) z=0.170 m; (b) z=0.200 m; (c) z=0.230 m━No sphere; One pair of sphere; Two pairs of sphere; Three pairs of sphere

(4) 在縱向渦流效應(yīng)的影響下，噴動床噴射區(qū)內(nèi)的顆粒擬溫度值隨著床層高度的增加而逐漸降低，氣體、顆粒在縱向渦流的影響下發(fā)生了強烈的徑向混合，消耗了顆粒群的運動動能，使得顆粒擬溫度值隨床層高度的增加而迅速降低。

圖8 不同噴動床在相同床層高度下顆粒擬溫度的分布Fig.8 Comparison of granular temperature profile along radial and axis in spouted beds at the same bed heightU=1.6Ums(a)z=0.170 m; (b)z=0.200 m; (c)z=0.230 m━No sphere; One pair of sphere; Two pairs of sphere; Three pairs of sphere

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