基于颗粒脉动参数CFD模拟的气固流化床流场性质与流动结构研究.pdfVIP

中国颗粒学会《流态化专业委员会》第七届全国流态化会议 2013年9月 基于颗粒脉动参数CFD模拟的气固流化床流场性质与流动 结构研究 孙婧元1，王靖岱1，阳永荣1 (1．化学工程联合国家重点实验室：浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州310027) 擅耍：采用CFD模拟的方法对气固流化床中的脉动信号进行研究，通过压力脉动信号与实验结果的比较， 验证了计算模型的准确性。对CFD模拟得到的颗粒脉动速度信号进行能谱计算、小波分解和自相关分析， 获得了流场间歇性、相干结构及颗粒涡的行为特征和演化规律。结果表明，颗粒脉动能谱的惯性子区符合 Levy．Kolmogorov定律，随着径向距离的增加，流场间歇性增强；气固两相流中存在着相干结构，并引发 流场的间歇性；某些尺度的颗粒涡随时间呈规律性的运动，相邻尺度的涡还会出现合并或分裂的现象，颗 粒涡的演化过程与流态化转变过程具有对应关系。 关键词：CFi)梗拟脉动信号液场间歇性相干结构曩粒涡 中圈分类号：T0021．1文献标识码：A 气固流化床具有非常高的传热和传质效率与处理大量颗粒的能力，因而在化工、石油加工、能源、 环境保护、食品加工、药品生产等领域中得到了非常广泛的应用。在流化床反应器中，气泡、涡流、 颗粒聚团等流动结构的形态和行为本质是揭示流化床中多相流动规律、解决过程强化和优化设计的瓶 颈。相比于时均参数，流化床的脉动参数(压力脉动、空隙率脉动、颗粒速度脉动等)包含了关于流 动结构和两相传递行为更加丰富的信息。因此，研究流化床中气泡与颗粒、局部与整体的脉动信号， 对于流动结构的刻画、多相流场流体力学性质的认识以及反应器的精确设计具有重要意义。 通常，流化床的脉动参数可以通过某些实验手段获得，如差压探头、光纤或电容探头、激光多普 等技术…。然而，这些实验测量手段存在着信号局限、易受干扰、仪器昂贵及图像处理方法复杂等缺 点。计算流体力学(CFD)模拟具有理论预测能力强、排除实验干扰因素、方便流动参数监测以及输 出信息量大的优点，已被越来越广泛地应用于多相流研究中。因此，利用计算流体力学(CFD)模拟 采集流化床内的脉动信号并进行分析，是一种极具可行性和应用价值的研究方法。 本研究采用计算流体力学(CFD)软件Fluent对气固流化床进行模拟，获得压力脉动信号，并与 实验结果相比照，验证计算模型的准确性。将单相流湍动与流化床脉动相类比，借鉴单相湍流理论， 提出流化床脉动信号的分析方法，描述了多相流场间歇性、相干结构及颗粒涡的行为特征与演化规律， 为深入探究气固流化床的流场性质与流动结构、优化反应器操作设计提供了理论依据。 1计算模型与条件 本文的模拟对象为圆柱形流化床，内径150 mill，高1000mln，取其轴向剖面进行二维模拟。流 化气体为空气，密度1．225kg／m3，流化颗粒为LLDPE颗粒，粒径0．59mm，密度944 kg／m3，属于Geldart B类颗粒。静床高300 mill，初始空隙率0．4。颗粒恢复系数取0．9，颗粒在壁面的反射系数为0。网格 作者简介：孙婧元(1987-)，女，博士：王靖岱(1974-)，男，博士，通讯联系人。wangjd@zju．edu．ca 75 孙婧元等．基于颗粒脉动参数CFD模拟的气固流化床流场性质与流动结构研究 2013年9月 大小为3．75mmx3．33 mm，网格数为12012。模拟的初始条件与边界条件列于表4．1。计算模型采用欧 6．3．13中进行，动量 拉．欧拉双流体模型，曳力模型为Syamlal．0’Brien模型。计算在商用软件Fluent 方程和体积分数相的离散格式分别为二阶