9b流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

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1、万方数据第7卷第3期2007年6月过程工程学报TheChineseJo啪a1ofProcessEngineering、，01．7No．3J1】ne2007气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟吴春亮1’2，詹杰民2(1．广东海洋大学工程学院，广东湛江524088；2．中山大学应用力学与工程系，广东广州510275)摘要：采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律．数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用，颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式，颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述．给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体

2、积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法，同时，在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法，大大提高了计算效率．数值计算结果表明，由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著，气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布，气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升，这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似．关键词：气固流化床；离散颗粒模型；硬球模式中图分类号：TQ013．2文献标识码：A文章编号：1009—606x(2007)03—0432—071前言稠密颗粒两相流在工业上应用非常广泛，如鼓泡式流化床和循环流化床反应装置、循环流化床燃烧炉以及鼓泡塔气液反应器、

3、沉降室和旋流分离器等．另外，部分管道输运中也采用稠密颗粒两相流操作．大部分的数学模型对连续相采用Euler方法描述，而基于对颗粒的不同描述方式则分以下两大类：(1)基于Euler体系的双流体模型；(2)基于Lagrallge描述体系的离散颗粒模型．另外，一类对颗粒相采用Euler和La铲a119e组合的模型也得到了发展．有别于稀疏的两相流，稠密的颗粒两相流中颗粒体积含量一般大于10％，颗粒碰撞的时间尺度小于颗粒驰豫时间尺度，因此数值模型中除了全面考虑流体与颗粒之间的质量、动量和能量的交换，即双向耦合(1’wo．waycoupling)之外，还需要考虑颗粒与颗粒间的相

4、互作用．当采用基于Lag啪ge描述方法的离散颗粒模型时，颗粒间的作用模式分为两种：软球模式(SoRspheremodel)和硬球模式(Hardspheremodel)，二者的区别在于颗粒的碰撞方程是采用微分形式还是积分形式．软球模式通过引入弹簧、缓冲器、滑块等概念来描述颗粒之间的接触作用力，允许颗粒之间有小量的重叠，采用刚度系数、阻尼系数和摩擦系数来表达接触位移与颗粒受力的关系．由于采用了微分形式的颗粒碰撞方程，软球模式不但可以得到接触前后颗粒速度的关系，而且还可以计算出接触过程中颗粒的具体受力，正因如此，应用该模式时需要非常小的时间步长(一般在1．0×10“s，如

5、果颗粒刚度太大则需更小)．在每一个时间步，颗粒的位置一旦确定，颗粒之间的接触关系就得以确定，于是每个颗粒的受力也确定，这样通过运动方程可以计算出该时刻颗粒的速度以及下一时刻颗粒的位置，该模型的这一特点称之为“时间驱动”．硬球模式采用积分形式的颗粒运动方程，忽略碰撞的具体过程，通过引入法向恢复系数、切向恢复系数及摩擦系数来描述碰撞前后的颗粒速度关系，假设所有的碰撞是瞬时的二体碰撞，这样在每一次碰撞发生之前更新颗粒位置，同时检测即将发生的碰撞，即颗粒的运动是由一系列的碰撞事件来推动，这一特点称为“事件驱动”．硬球模型中，颗粒位置严格地互不重叠．Hoomans掣l】首先实

6、现了基于硬球离散颗粒模型的气固流化床数值模拟，欧阳洁等[2，3】采用离散颗粒模型计算了鼓泡式、循环式流化床内气固流态，数值模型捕捉到了鼓泡、塞状流以及颗粒团聚等现象．Bokkers等[4】采用三维硬球离散颗粒模型，对比了两种气固阻力公式下流化床内单个鼓泡形状的差异，并计算了双组分颗粒的分离度，与实验数据相当吻合．Lu等[5】结合气相亚网格尺度模型和硬球离散颗粒模式，计算了流化床内颗粒的径向分布函数以及颗粒脉动能，对颗粒动力理论进行了初步验证．刘阳等[6】采用该模型模拟了流化床内不同密度的双组分颗粒分离现象．在有多个射流口或是自由鼓泡的情况下，如果床层较深，流化床中容

7、易同时形成多个气泡．气泡的运动轨迹、运动方式直接影响到流化床的操作性能．目前，对多个气泡相互作用的数值研究甚少，本工作将采用离散颗粒模型对此展开初步研究．收稿日期：2006一lO一09，修回日期：2007—03—20作者简介：吴春亮(1977一)，男，湖北省咸宁市人，博士，讲师，工程力学专业，Tel：0759-2383720，E-mil：ch吼1i粕gvlrll@gnlail．com．万方数据第3期吴春亮等：气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟4332气体一颗粒控制方程离散颗粒模型对于气相采用Euler描述方法，其连续性方程为善(成气)+V·(几龟％)=o，动