基于DDPM+DEM的建筑鼓泡流化床流動特性模擬

王育紅

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

流化床是一種氣固反應(yīng)設(shè)備，其在化工、礦冶、燃料電池等諸多領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用[1-2]。流化床分為兩種：鼓泡流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐，相比較而言鼓泡流化床的熱能利用率更高，因此鼓泡流化床的使用更加的廣泛[3-5]。但是由于鼓泡流化床反應(yīng)器內(nèi)部存在這稠密相、稀疏相、氣相，因此整個(gè)過程屬于多相作用的問題，這給流化床的分析帶來了很多困難。而流化床工作過程中氣泡的生成速率、顆粒相的運(yùn)動情況對于整個(gè)反應(yīng)至關(guān)重要，因此必須建立合理的分析模型對流化床中物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究從而優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

本文針對上述問題采用FLUENT中的離散相歐拉碰撞模型（DEM）應(yīng)用于稠密顆粒流動中，該模型使用密集離散相模型（DDPM）在初級階段求解顆粒堵塞的影響[6-7]。結(jié)合自編UDF程序?qū)α骰补ぷ鬟^程中氣泡的上升速率、顆粒的碰撞運(yùn)動情況進(jìn)行分析研究。

1 模型建立

1.1 幾何模型

如圖1所示為流化床幾何模型示意圖，從圖中可以看出，流化床主要包括了三個(gè)部分：空氣進(jìn)口、顆粒層、壓力出口，流化床整體結(jié)構(gòu)為0.2m×0.2m×0.4m的長方形區(qū)域內(nèi)。氣體以0.5 m/s的表觀速度通過顆粒層，監(jiān)測床層壓降。

圖1 流化床幾何模型示意圖bed

1.2 邊界設(shè)置

從經(jīng)典的流化曲線來看，如果流體入口的表觀速度很小，則床態(tài)不流化，表現(xiàn)為填料床。當(dāng)流體速度增大時(shí)，流化床開始流化[8-9]。在填充床條件下，隨著表觀速度的增加，壓力會呈現(xiàn)線性增加。當(dāng)逐漸增加到流化條件時(shí)，壓力達(dá)到恒定值（在時(shí)間上平均）。本文設(shè)置進(jìn)口處空氣流速為0.5 m/s，出口為壓力出口，壓力為標(biāo)注1atm，流化床中顆粒為石英顆粒，密度為2 600 kg/m3。設(shè)置距離進(jìn)口處0.15 m處為初始顆粒表面。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒濃度分析

空氣以0.5 m/s的速度從進(jìn)口去進(jìn)入顆粒層，圖2為顆粒濃度分布圖，從圖中可以看出流化床內(nèi)主要存在著兩相（氣泡相和顆粒相）。首先氣泡從流化床底部逐漸向顆粒層中間區(qū)域滲入，可以看出0.4 s時(shí)顆粒底部位置所形成的氣泡區(qū)域，隨著時(shí)間的推移氣泡相逐漸向上浮動，此時(shí)可以看出在氣泡周圍團(tuán)聚的顆粒相，鼓泡時(shí)間1.2 s，氣泡已經(jīng)沖破顆粒表面層，隨后氣泡破裂，由氣泡所帶動的顆粒重新落入流化床底層區(qū)域，可以看出氣泡在上升過程中其受到顆粒作用其形狀不斷發(fā)生變化。

圖2 顆粒濃度分布圖

圖3為不同時(shí)刻顆粒運(yùn)動軌跡圖，從圖中可以看出顆粒的運(yùn)動軌跡與顆粒濃度分布圖基本相似。在氣泡形成擴(kuò)散初期（0.4～0.8 s），顆粒層表面有浮動拋起的少量顆粒，此時(shí)揚(yáng)起的顆粒主要分布在流化床壁面附近兩側(cè)，從0.8 s的顆粒分布圖表面鼓起了大量顆粒，而由于氣泡受到頂部顆粒重力作用明顯，氣泡被壓縮從而表面鼓起的顆粒呈中部凹陷形狀。流化床的特性是通過進(jìn)口速度使得固體顆粒具有流體的性質(zhì)，而在使用過程中要根據(jù)用途合理調(diào)整氣體流速，如果氣體流速過快將會使得顆粒局部噴出難以達(dá)到流化顆粒作用，而如果過慢將會使得顆粒表面無法形成流態(tài)，因此可以借助于模擬確定適合于顆粒最優(yōu)的氣體參數(shù)。

2.2 壓力及速度測試分析

圖4為流化床床層壓降曲線圖，從圖中可以看出在流化床工作初期頂部出口壓力出現(xiàn)明顯的壓力浮動變化（0～0.4 s），這主要是因?yàn)樵跉馀莨钠鸪跗诹骰矁?nèi)部顆粒膨脹致使空氣被壓縮，內(nèi)部壓力迅速上升，但此階段持續(xù)時(shí)間很短，隨著氣泡鼓出破裂壓力迅速下降，隨著時(shí)間的推移，氣流維持的流化床達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓力基本維持在931 kPa左右，此壓力可以基本維持顆粒的流態(tài)。

圖4 流化床床層壓降曲線圖

圖5為顆粒表面平均速度變化值，圖中分別表示了理論和試驗(yàn)兩種計(jì)算結(jié)果值，從圖中可以看出模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)值基本一致，只是由于模擬中并未考慮上升過程中空氣對于顆粒的阻力，因此模擬結(jié)果的速度值略微高于實(shí)驗(yàn)室測得數(shù)據(jù)。

圖5 顆粒表面平均速度變化值

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對流化床工作過程中顆粒相及空氣相的變化情況進(jìn)行分析研究，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證了模擬的可靠性。根據(jù)模擬分析的結(jié)果可以對流化床工作的機(jī)理以及顆粒與空氣速度之間的關(guān)系做出定性分析，從而對于優(yōu)化設(shè)計(jì)流化床具體參數(shù)具有實(shí)際意義。