基于气固两相流流动特性风帽式布风板结构参数优化_张健平.pdf

第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-05-15基金项目:国家自然科学基金(51308480);教育部在线教育研究基金(2016YB163);博士研究基金项目(17ZX7125)。文章编号:1007-2934(2022)06-0001-011基于气固两相流流动特性风帽式布风板结构参数优化张健平，赵彦宾，邓尧(西南科技大学 制造科学与工程学院 制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳621010)摘要:布风板结构参数显著地影响着床层内部气固两相流流动特性，为了探究流化床干燥装置内油菜籽颗粒流化性能和空气流速脉动规律，明晰不同面板凸度、风帽开孔夹角和开口瓣数对风帽布风板布风性能的影响，提出布风板结构数的优化方案。以 1584%开孔率圆形非均匀布孔布风板为基础，根据 Euler/Euler 双流体模型和 Standardk 湍流模型，采用 ANSYS191 中流体动力学分析模块 Fluent软件对面板凸度(2 mm、5 mm 和 10 mm)、风帽开孔夹角(0、5和 10)和开口瓣数(四瓣、六瓣和八瓣)进行优化设计，并通过实验进行验证。结果表明:5 mm 凸度球面板、四瓣风帽、5开孔夹角布风板是油菜籽流化床干燥的最佳布风板。与平面布风板相比，凸形球面布风板的油菜籽分布均匀性好，其中凸度为 5 mm 球面板油菜籽平均体积分数方差(0007 3)最小，促使其与热空气接触均匀充分。5风帽开孔夹角有利于颗粒运动呈现脉动流动，是油菜籽干燥布风板的最佳开孔夹角。风帽开口瓣数对油菜籽流化床干燥的布风性能影响不大，相对来说四瓣风帽开口瓣数能更好地均布空气流。通过实验对模拟结果进行验证，结果发现数值模拟与实验结果相吻合，验证了所优化的最佳布风板是合理可行的，该研究结果可为干燥设备设计提供理论依据，同时也为油菜籽流化床干燥效率提供理论支撑。关键词:风帽式布风板;结构参数;面板凸度;开孔夹角;开口瓣数;数值模拟中图分类号:TQ 0213;TQ 0267文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202206001新收油菜籽极易吸湿和霉变，由于收获前后多属于梅雨季节，空气温度和湿度较高，如果不及时被干燥处理，可能会导致一夜之间新收油菜籽全部霉变，降低菜籽油的品质和出油率1-3。通过热空气流化床干燥技术4 使其在低能耗情况下短时间内湿基含水率低于 809%，达到油菜籽安全储藏水分要求，提高油菜籽干燥品质和干燥效率5，6。热空气流化床干燥装置的关键部件是布风板，其主要作用是支撑和均匀流化固体颗粒。布风板结构参数显著地影响着床层内部气固两相流的速度、固含率和压力等参数的分布规律，及热质传递特性7。目前许多研究人员针对布风板类型、结构参数和安装方法进行研究和探索。常见的布风板结构类型为直孔型、斜孔型、侧缝型、侧孔型和复合型等8。其中直孔型由于具有流动性好、阻力较小、成本低等优点，被广泛用于固体颗粒流化床干燥，然而直孔型在干燥过程中所需的干燥时间较长，干燥品质不太理想，对于小颗粒固体物料将会出现漏料现象9。侧缝型和侧孔型布风性能比直孔型或斜孔型好，但其结构复杂，很难适应特殊结构的流化床需求10。复合型具有空隙率大，耐压性好等优点，但加工工艺复杂，成本高，开孔率和压降不易控制11。国内外许多研究学者在以上几种传统布风板的基础上进一步优化设计布风板结构参数。陈娟等12 优化设计了循环流化床布风板的风帽结构，研究分析了风帽布置方式与出口小孔空气射流对密相区射流特性的影响，建立了小孔射流射程的经验关系式，为风帽结构设计及其布置方式提供理论支撑。魏新利等9 采用 Fluent 软件模拟分析不同布孔方式和开孔直径的布风性能，结果表明开孔直径 2 mm 正三角形布孔是最优的布风板结构参数。董淑芹等13 研究分析了三种不同开孔率的布风板对气固流化床流动特性的影响，结果表明压降随开孔率增大而减小，径向固含率波动随开孔率增大而增大。王涛14 分析了 6 种不同布孔方式对流化床层内气相分布特性的影响，其中大小孔间隔不均匀布孔的气相速度分布较分散均一，流化效果好。朱沈瑾15 研究发现平板布风板固体颗粒平均体积分数波动最大，形、形和斜板三种布风板波动较小且分布曲线接近。张健平等16，17 通过实验和数值模拟相结合的研究方法优化设计了布风板的开孔率和布孔方式，结果表明 1584%开孔率圆形不均匀布孔是油菜籽流化床干燥的最佳布风板。刘典福等18 采用数字图像处理技术可视化研究表明在非均匀布风内循环流化床内，高风速区将会产生大量向上运动的气泡，且横向偏移，增加了高风区的流化速度。郑磊等19 通过数值模拟对比分析了切向和垂直两种进风方式下鼓泡流化床的流态化特性，模拟结果表明垂直进风的情况下气速在空间上分布均匀性更好。田凤国等20 通过试验考察发现在非均匀布风配置下，随着固体颗粒尺寸增加，在流化床内平均停留时间变短。综上所述可知，流化床干燥装置布风板的布风性能直接影响着固体颗粒的流态化和干燥速度的快慢。因此，如何有效地优化设计出布风板结构参数是获得较好干燥效果的关键因素，也是提高干燥效率和干燥品质的关键影响因素。然而，目前有关布风板结构参数研究成果通常都具有明确的应用对象，难以指导油菜籽流化床干燥设备的设计。即使文献 16-17 对油菜籽流化床干燥装置布风板进行研究，但还存在漏料现象，需进一步优化设计布风板结构。文献 21-22 研究表明:布风板面板结构、风帽开孔夹角和风帽开口瓣数是风帽布风板性能的 3 个主要影响因素。因此，本文在文献 16 1584%开孔率圆形非均匀布孔布风板的基础上，通过数值模拟分析和试验验证，研究分析球面板结构、风帽开孔夹角和开口瓣数对油菜籽颗粒流化性能和空气流速脉动的影响，提出布风板结构数的优化方案，防止出现干燥过程中的漏料现象，减少局部区域热空气的聚集，提高油菜籽颗粒流态化效果，同时也为干燥设备设计提供理论支撑。1数值计算模型11物理模型与网格111物理模型根 据 实 验 室 流 化 床 干 燥 设 备，通 过SOLIDWOKS 2016 按照 11 比例大小建立物理模型，具体尺寸如图 1 所示。总高 684 mm，直径138 mm。包括二部分:第部分流化床床层，高度 676 mm，静止床层高度 135 mm;第部分布风板，厚度 8 mm。其中第部分布风板是本文重点研究的对象，基于文献 16 1584%开孔率圆形非均匀布孔的布风板，针对面板的凸度、风帽开孔的夹角和开口瓣数进行优化设计。1584%开孔率圆形非均匀布孔布风板具体尺寸为:布孔共 86 个(孔径 6)，布孔圆半径分别为 18 mm(4 个)、50 mm(8 个)、78 mm(14 个)、102 mm(28 个)和122 mm(32 个)。图 1物理模型的具体尺寸112网格划分利用 Fluent Meshing 对物理模型进行网格生成，主要采用空间适应能力较强的四面体非结构化网格进行网格划分，其中布风板内小孔较小，且小孔附近内气固两相流属于强烈对流，则在此区域内进行局部加密处理，提高模拟分析的精度。限于篇幅，此处仅展示 5 mm 凸度球面板、5风帽开孔夹角四瓣布风板的流化床干燥装置网格划分2大学物理实验2022 年结果，如图 2 所示。图 2流化床干燥装置的网格划分通过网格独立性检验后，不同面板凸度、风帽开孔夹角和风帽开口数下最终采用的网格节点数和单元数见表 1。表 1网格划分节点数和单元数面板凸度凸度/mm2510节点数221 365226 932235 459单元数1 212 5261 239 9301 282 899风帽开孔夹角(面板凸度 5 mm)夹角/0510节点数182 219180 379180 365单元数985 302975 847975 447风帽开口数(面板凸度 5 mm、开孔夹角 5)开口数468节点数63 17363 11863 229单元数329 761329 405330 14712数学模型采用 ANSYS191 中的流体动力学分析模块Fluent 对流化床干燥装置内部气固两相流进行数值模拟，选取 Euler/Euler 双流体模型、颗粒动力学模型和 Standard k 湍流模型。应用压力-速度耦合方程组的 SIMPLE 计算方法和二阶迎风格式的离散方法进行求解。121Euler/Euler 双流体模型Euler/Euler 双流体模型通过对每一相求解动量方程和连续性方程来对多相流的运动进行模拟23。连续性方程t(qq)+(qqv?q)=0(1)式中:q为 q 相体积分数，q 相是气固两相总称，2q=1q=1;q为 q 相密度，kg/m3;vq为 q 相平均速度，m/s;气相动量方程t(ggv?gv?g)=gp+?g+ggg?+gg(F?g+F?lift，s+F?Vm，g)+Kgs(v?g v?s)(2)固相动量方程t(ssv?)+(ssv?sv?s)=sp+?s+ssg?+ss(F?s+F?lift，s+F?Vm，s)+Kgs(v?g v?s)(3)式中:F?q为 q 相外部体积力，N;F?lift，q为 q 相升力，N;F?Vm，q为q相虚拟质量力，N;?q为q相剪切应力，N;p 为总压，Pa;g?重力加速度，m/s2;Kgs为相间交换系数。Kgs=ssfs(4)式中:f 为包含基于相对雷诺数的曳力函数;s为颗粒弛豫时间，s，定义式为s=sds18s(5)式中:ds为颗粒直径，mm;s为固相动力粘度，kg/(ms)122颗粒动力学模型(1)气固两相间作用的曳力模型气固两相间作用的曳力模型大致可分成以下三种 类 型:一 种 是 理 论 模 型，如 Koch-Hill 模型24;另一种是经验或半经验模型，如 Gidaspow模型25，Syamlal-OBrien 模型26;第三种是经验或半经验模型的修正模型，如修正的 Syamlal-OBrien 模型27，McKeen 模型28。其中 Gidaspow模型考虑了气相体积份额对气固两相间曳力系数的影响，分别给出了相应的表达式，在流化床中整个颗粒浓度范围内应用更合理，因此对于密集的气固流化床，相间曳力系数一般都采用 Gidaspow模型，具体形式如下29:当 g08 时，气固两相间曳力函数 f 为f=34CDsgs|vsvg|ds265g(6)3第 6 期张健平，等:基于气固两相流流动特性风帽式布风板结构参数优化式中:CD为曳力系数。当 g08 时，气固两相间曳力函数 f 为f=150s(1g)vggd2s+175ss|vgvs|ds(7)其中，曳力系数 CD为:CD=24ges 1+015(ges)00687，es1000044，es1000(8)式中:e 固相雷诺数，其表达式为es=dsgg|vgvs|(9)(2)剪切应力模型气相剪切应力?g=g v?g+(v?g)T 23g(v?g)I(10)式中:I 为单位张量;g为气相剪切粘度，Pas，其表达式为:g=gl+Cggk2/(11)式中:gl为层流粘度，Pas;Cggk2/为湍流粘度，Pa s。颗粒相剪切应力?s=ps+sv?g+s v?s+(v?s)T 13v?sI(12)式中:s为颗粒相表观粘度，Pas;s为颗粒相剪切粘度，Pas;颗粒相表观粘度:s=432ssdsg0(1+ess)(/)1/2(13)式中:g0为颗粒径向分布系数;ess为颗粒碰撞的归还系数，取 09;为颗粒温度，m2s2，其服从控制方程(19)颗粒径向分布系数:可按 Bagnold 方程30 进行计算:g0=1ss，max()131(14)式中:s，max为填充状态下最大颗粒体积份额，其值通常在 0607 之间颗粒相剪切粘度:s=s，col+s，kin+s，fr(15)式中:s，col为颗粒相碰撞粘度，Pas;s，kin为颗粒相动力粘度，Pas;s，fr为颗粒相摩擦粘度，Pas。颗粒相碰撞粘度:s，col=452ssdsg0(1+ess)(/