流化床密相区颗粒混合特性多尺度分析

1. 0 引言 • 认识颗粒混合机理和预测颗粒混合速率对于正确设计流化床反应器非常必要 。 • 已有研究中报道的颗粒扩散系数非常分散，存在几个数量级的差别。仅仅通过试验研究，难以全面了解颗粒运动及混合机理，而且，目前只能在尺寸较小的流化床上测量颗粒扩散系数。 • 数值模拟可以突破实验条件的限制，从微观层次上获取颗粒运动的详细信息。 • 本文借鉴多尺度模拟思想，结合微观和宏观层面分析密相流化床内颗粒混合特性，并探讨颗粒混合特性放大规律。 图2 不同床宽条件下流化风速对颗粒横向扩散系数的影响 图3 不同床宽条件下流化风速对颗粒轴向扩散系数的影响 • 1 模型和方法 • 双流体模型(TFM) 是目前应用于稠密气固两相流模拟的最主要模型，该模型将颗粒相处理为类似流体的连续相，假设在流场的每一位置，气体相和颗粒相共存并相互渗透，每一相具有各自的体积分数和速度。颗粒相质量、动量守恒方程和气体相方程组具有相同的形式。 • 离散颗粒模型，也称作CFD-DEM模型，采用Navier-Stokes方程描述气相场，颗粒相则用离散单元法 (DEM) 模拟，直接跟踪每一个颗粒。 • 多尺度分析方法 本文应用双流体模型对不同尺寸的流化床在不同流化风速下进行数值模拟，采用理想示踪粒子技术提取床内平均颗粒扩散系数等宏观信息；采用离散颗粒模型进行数值模拟，从单个颗粒和气泡作用的微观角度分析颗粒运动和混合特点；最后，将颗粒混合和气泡特性在宏观尺度上关联，即关联平均颗粒扩散系数和平均气泡频率及气泡尺度等信息，并探讨关联式的放大特性。 文献报道的密相区颗粒横向扩散系数Dx分布在0.0001~0.1m2/s数量级。Dx处于0.001m2/s数量级的研究报道有Shi and Fan[25]，Berruti et al.[26]，Bellgardt and Werther[27]，Mostoufi et al.[28]，Winaya et al.[29]，和本文针对0.2m床宽的模拟结果，其共同点是：或者床体尺寸较小，或者流化风速较低。Dx处于0.01m2/s数量级的研究报道有Pallares and Johnsson[13]，和本文针对0.4m床宽的模拟结果（U0>2.5m/s后）。Pallares and Johnsson采用的二维流化床床宽也为0.4m，但其床料粒径为0.33mm，明显比本文小，考虑到这一点，可以说本文计算所得颗粒扩散系数与Pallares and Johnsson试验所得颗粒扩散系数比较吻合。Dx处于0.1m2/s数量级的研究报道有Xiao et al.[10]，Schlichthaerle and Werther[11]，Niklasson et al.[12]，Yang et al.[2]和Li et al.[14]，这些研究均是在大尺寸流化床且高流化风速下进行的。本文模拟的床宽为0.8m的工况，Dx计算值比床宽为0.2m和0.4m时大，但与0.1m2/s数量级相比还有差距，因为模拟工况的尺寸还不够大并且是简化的二维流化床模型。 • 2 结果和讨论 • 2.1 双流体模型计算结果及分析 • 应用基于颗粒动理学理论的双流体模型，对不同床体宽度(W)和表观风速(U)组合的工况进行模拟，其中W分别为0.2、0.4和0.8m，U分别为0.91、1.2、1.82、2.5、3.0、3.64、4.5m/s。各工况床料均为粒径1.5mm的石英砂。U的选择覆盖了典型的鼓泡流化区和湍动流化区，所模拟的工况对应于流化床锅炉密相区。 • 计算区域为二维流化床，入口采用均匀布风，出口为充分发展。计算网格均为1cm×2cm，模拟时间为20秒，时间步长为10-4秒，每隔10-2秒保存一次计算结果，其中后15秒的计算结果用作分析。 • 尝试采用理想示踪粒子技术，即一群质量为零的示踪粒子以零滑移速度的方式跟随颗粒相运动，从而得到示踪粒子的轨迹，再根据示踪粒子轨迹计算其扩散系数。颗粒局部扩散系数可由颗粒轨迹直接计算 ： 图4 颗粒横向扩散系数和流化风速度的关系 (1) (2) 颗粒沿x方向平均扩散系数Dx由曲线起始段斜率的一半表示，如图1的局部放大图。考虑到流态化的波动性，分别以第5、6、7和8秒为基准时刻，计算扩散系数，最后取平均值。颗粒沿y方向平均扩散系数的计算方法与之类似。 (a) t=8.00s (b) t= 8.08s (c) t=8.18s (d) t=8.32s (e) t= 8.42s (f) t=8.52s (g) t=8.62s 图5 U=3.0m/s时颗粒混合发展过程 图1 示踪颗粒平均位移量随时间的变化 (h) t=8.72s (i) t= 8.82s (j) t=9.00s (k) t=9.10s (l) t=9.20s (m) t=9.24s (n) t=9.30s 图6 U=1.82m/s时颗粒混合发展过程 (a) t=8.00s (c) t=8.18s (e) t=8.42s (g) t=8.62s (i) t=9.82s (k) t=9.10s (n) t=9.30s 流化床密相区颗粒混合特性多尺度分析 • 2.2 离散颗粒模型计算结果及分析 • 建立CFD-DEM数值模拟平台，对宽×高＝30cm×100cm的流化床，分别在流化风速(U)为1.82m/s和3.0m/s的条件下进行模拟。模拟采用准三维模型，即床体深度为1倍颗粒粒径。颗粒粒径为1.5mm，密度为2600kg/m3，颗粒个数为15000，初始状态由重力作用下颗粒自由堆积得到。 • 为便于观察颗粒混合，在8.00s时刻用蓝色（深色）和绿色（浅色）区分左右区域的颗粒。跟踪第5000号颗粒，用红色标记并放大3倍显示。在左边区域，小气泡距布风板上方一段距离形成（见图5a），气泡上升、聚集、长大，携带尾涡一起上升，并将其上方颗粒推开（图5b~5c），最终在床层表面爆破，抛射颗粒（图5d），颗粒由于重力作用又落回床层（图5e~5f），被左下方的气泡推到壁面（图5g~5i），颗粒沿壁面随乳化相向下运动（图5j~5k），随后又在床内右边区域气泡的作用下运动（图5l~5n）。 • 图6表示U=1.82m/s时，颗粒混合随时间的发展过程，颗粒混合速率明显低于U=3.0m/s的工况，示踪颗粒的运动范围也明显变小。对比图5和6，显著的差别是U=3.0m/s时床层膨胀比较大，气泡尺度较大，而且气泡在床层表面爆破时抛射颗粒能力强。 ***，***，***，*** ************学院，******** 图2，图3表明，颗粒横向扩散系数总体上随流化风速增大而增大，但受床体尺寸影响较大。颗粒轴向扩散系数随流化风速增大而增大，受床体尺寸影响较弱。横向扩散是颗粒混合速率的控制因素。 • 3 结论 • 应用基于颗粒动理学的双流体模型对床宽分别为0.2、0.4、0.8m的流化床在鼓泡和湍动区进行数值模拟。引入理想示踪粒子技术提取床内平均颗粒扩散系数。 • Dx计算值分布在0.001～0.1m2/s数量级，与文献报道的试验结果比较一致。 • 采用离散颗粒模型，直观获得颗粒混合行为。证实气泡在床层中上升、在床层表面爆破以及气泡上升引起的乳化相下沉运动对颗粒混合起关键作用 。 • 提出了能够明确体现颗粒横向扩散机理的气泡强度量(B) 定义，B为床内平均气泡频率、气泡尺寸和床宽三者之积。对于本文所模拟的工况，B与Dx的线性相关系数为0.879。期望该式具有进一步的放大能力，这一点将在后续工作中继续研究。 2.3 颗粒横向扩散系数和气泡特性的关系 • 定义气泡强度量 (3) • 图10表示颗粒横向扩散系数和B的关系，两者具有很好的关联性，Dx与B的线性相关系数为0.879。此线性关系未受床体尺寸的影响，这是由于，B的定义式明确地体现了颗粒横向混合机理。对于单个气泡，Dbub越大，其上升时排开颗粒的能力越强，颗粒横向扩散系数越大；Dbub越大，上升速度越大，引起的乳化相下沉运动越强，促进颗粒横向运动；气泡在床层表面爆破时抛撒颗粒的能力同时受Dbub和Dbed的影响，在不受Dbed限制时，Dbub越大，气泡在床层表面爆破时抛撒颗粒的能力越强，对颗粒横向扩散贡献越大；对于一段时间，气泡个数越多，颗粒受扰动越频繁，颗粒横向系数越大。 图10 颗粒横向扩散系数和B的关系 基金项目：国家科技支撑计划 (2006BAA03B02) 作者简介：刘道银(1982-)，男，博士研究生，主要从事流化床锅炉基础研究工作，E-mail: liu_daoyin@yahoo.com.cn 通讯联系人：陈晓平，男，教授，E-mail: xpchen@seu.edu.cn `