多喷嘴喷动流化床内气固两相...传热过程CFD-DEM模拟_刘雪峰.pdf

第 37 卷第 3 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.3 Vol.37 2023 年 6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2023 文章编号：1003-9015(2023)03-0383-09 多喷嘴喷动流化床内气固两相流动与传热过程 CFD-DEM 模拟 刘雪峰1,白谨豪1,吴 峰1,马晓迅1,2,危仁波1(1.西北大学 化工学院 陕北能源先进化工利用技术教育部工程研究中心,陕西 西安 710069;2.陕西省洁净煤转化工程技术中心,陕西 西安 710069)摘 要：为研究喷动床内颗粒的流体力学与传热特性，采用计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合方法对多喷嘴喷动流化床(IMJSFB)内的颗粒进行数值模拟，将模拟结果与常规喷动床(CSB)对比。结果表明：IMJSFB 内颗粒混合与流动特性明显优于 CSB，表明侧开孔的存在改善了颗粒流动死区现象。IMJSFB 内的颗粒总势能和颗粒总平移动能均低于 CSB，侧开孔对主喷嘴气体实现了分流，削弱了喷射区的颗粒运动。当颗粒的传热系数低、热容小、进气温度较低时 IMJSFB 的优势更显著。关键词：多喷嘴喷动流化床；计算流体力学；颗粒混合特性；流动特性 中图分类号：TQ021.3 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2023.03.006 CFD-DEM simulation of gas-solid two-phase flow and heat transfer in multi-jet spout-fluidized bed LIU Xuefeng1,BAI Jinhao1,WU Feng1,MA Xiaoxun1,2,WEI Renbo1(1.Northern Shaanxi Energy Advanced Technology with Chemical Engineering Research Center of the Ministry of Education,School of Chemical Engineering,Northwest University,Xian 710069,China;2.Shaanxi Research Center of Engineering Technology for Clean Coal Conversion,Xian 710069,China)Abstract:The characteristics of particle flow and heat transfer in multi-jet spout-fluidized bed(IMJSFB)were studied by the computational fluid dynamics-discrete element method(CFD-DEM),and the simulation results were compared with conventional spouted bed(CSB).The results showed that the mixing and flow characteristics of particles in IMJSFB were better than those in CSB,indicating that the presence of side holes improves the particle flow in dead zone.The total potential energy and total translational kinetic energy of particles in the IMJSFB are lower than those in CSB,and the existence of side holes diverts the gas from the main jet and weakens the movement of particles in spout region.The advantages of IMJSFB are obvious when the heat transfer coefficient of particles is low,the material heat capacity is small and the inlet temperature is low.Key words:multi-jet spout-fluidized bed;computational fluid dynamics(CFD);particle mixing characteristics;flow characteristics 1 引 言 与常规喷动床相比，多喷嘴喷动流化床具有颗粒相与气相混合更均匀、流动更快、颗粒死区更小、壁面黏结更少等优点1，具有良好的研发优势。计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合模型对连续相求解 N-S 方程，对颗粒相求解牛顿第二定律，在喷动床研究中广泛应用2。Yue 等3用 CFD-DEM 模型研究喷动床内颗粒密度对喷动偏转的影响，用喷动偏转角度量化喷动偏转行为，结果表明交替喷动偏转的流体力学特性与初始状态和颗粒密度关系不大。Liu 等4用 CFD-DEM 耦合方法研究了不同密度颗粒的喷动特性，得到了不同密度和流速下的流型图，结果表明，最小喷动气速、床层压降和稳态喷动气速范围随颗粒密度的增加而增加。目前，采用 CFD-DEM 方法对多喷嘴喷动流化床内颗粒流体力学和传热特性的 收稿日期：2022-03-22；修订日期：2022-06-28。基金项目：国家自然科学基金(22178286)。作者简介：刘雪峰(1997-)，女，山西吕梁人，西北大学硕士生。通信联系人：吴峰，E-mail： 引用本文：刘雪峰,白谨豪,吴峰,马晓迅,危仁波.多喷嘴喷动流化床内气固两相流动与传热过程 CFD-DEM 模拟 J.高校化学工程学报,2023,37(3):383-391.Citation：LIU Xuefeng,BAI Jinhao,WU Feng,MA Xiaoxun,WEI Renbo.CFD-DEM simulation of gas-solid two-phase flow and heat transfer in multi-jet spout-fluidized bed J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(3):383-391.384 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年6月 研究未见报道。本研究基于欧拉-拉格朗日框架下的 CFD-DEM 方法，采用 Fluent15.0 分析多喷嘴喷动流化床内颗粒的流动及混合特性，并引入 Li 和 Mason5传热模型研究不同操作参数对传热的影响，将模拟结果与常规喷动床比较，为多喷嘴喷动流化床的推广应用提供理论和应用参考。2 模型方程 2.1 固相 CFD-DEM 模拟方法对固相采用离散单元法(DEM)求解。通过牛顿第二定律和角动量守恒对单个颗粒进行受力分析，计算公式如下6：ntdragpddiiimmt=+vgFFFF (1)d diiiIt=M (2)式中：im为颗粒 i 的质量，kg；iv为颗粒 i 的泊松比，t为时间，s；g为重力加速度，ms?2；iI为颗粒i 的旋转惯量，kgm?2；i为颗粒 i 的角速度，rads?1，Fn、Ft、Fdrag、Fp分别为法向力、切向力、阻力、流体压力梯度；Mi为接触面扭矩。nF是法向重叠量n的函数，定义为7*3/2*relnnnn45236ERS m=+Fnv (3)式中：n 为法向单位矢量；relnv为相对速度的法向分量，ms?1。等效杨氏模量*E(Pa)、颗粒等效半径*R(m)、颗粒等效质量*m(kg)、阻尼系数(Pasm?1)、法向刚度nS(Nm?1)分别定义为()()22*111ijijvvEEE?=+(4)*111ijRRR=+(5)*111ijmmm=+(6)22lnlnee=+(7)*nn2SER=(8)式中：jv为颗粒j的泊松比；jm为颗粒j的质量，kg；e为颗粒恢复系数；iE、jE分别为颗粒i、j的杨氏模量，Pa；iR、jR分别为颗粒i、j的接触球体的半径。tF8、dragF8、接触面扭矩iM9和流体压力梯度力pF10的计算公式如下：*reltnttt5826GRS m=?+Ftv (9)()3draggpg16id=?Fuv (10)rniiiR=?MF (11)pp,giVp=?F (12)式中：*G为颗粒等效剪切模量，Pa；t为切向重叠量，m；t为切向单位矢量，tS为切向刚度，Nm?1；g为气体体积分数，gu为气体速度，ms?1；pd为颗粒直径，m；r为滚动摩擦系数，m；p,iV为颗粒体积，m3；gp为气相压力梯度，Pam?1；reltv为相对速度的切向分量，ms?1。2.2 气相 气相被当作连续相，通过N-S方程获得每相的运动信息。质量和动量守恒方程如下11：()()ggggg0t+=u (13)第 37 卷第 3 期 刘雪峰等：多喷嘴喷动流化床内气固两相流动与传热过程 CFD-DEM 模拟 385 ()()()ggggggggggggggdpt+=?+?uu ugF (14)()()()gg gggggggggtgg,1vkiic Tc TkkTQt =+=+u (15)式中：g为气相密度，kgm?3；gc为气体的比热容，Jkg?1K?1；gT为气体温度，K；gk为气相热导率，Wm?1K?1；tk为气相的湍流热导率，Wm?1K?1；湍流普朗特数tPr设置为0.85，g,iQ是计算网格中气体和颗粒i之间的热流，J；g为气相应力张量；g为气相雷诺应力张量；Fd为颗粒流体阻力，N。g 12、g 12、Fd 13分别为()()()1gggggg23?=+?|uuuI (16)()()()1gggg2233tt?=+?|uuuI (17)()dgs=?Fuu (18)式中：g为气体黏度，Pas；I 为颗粒应力张量；t为湍流黏度，kgm?1s?1；us为固相速度，ms?1。同时，引入Gidaspow曳力模型进行计算，计算公式如下14-15：()()()ggggs2.7D0ggp2gggsgg2gpp13 0.84111501.75 0.8Cddd?|=?|+|uuuu (19)()0.687pppD0p2410.15 1 0000.44 1 000ReReReCRe+|=|(20)式中：为动量交换系数，kgm?1s?1；D0C为单颗粒的曳力系数；pRe为颗粒的雷诺数。气相湍流用k?湍流模型描述，湍流动能k和耗散率可用如下方程表示16：()()ggggggggkggktkkkGt+=+?|u (21)()()2gggggggg1k2gtCGCtkk+=+?|u (22)式中：1C、2C、k、的值分别为1.44、1.92、1.0、1.3，并且，kG表示平均速度梯度引起的湍流动能，J。2.3 传热模型 气体的能量方程的求解形式为17()()()()effeffhjjjEEpkThSt+=?+|vJv (23)式中：eff kT、jjjhJ、()effv 分别表示由热传导、物质扩散和黏性耗散导致的能量转移，v表示速度，ms?1；effk表示有效热导率，Wm?1K?1；jJ表示物质j的扩散通量，kgm?2s?1；jh表示物质j的焓，J；eff 表示有效应力张量，Pa；hS表示热源相。Chaudhuri18提出的传热模型对DEM模拟中颗粒间的传热表征是通用的。Wei等19通过该模型研究了不同形状颗粒的传热特性，结果表明模拟结果和实验数据具有一致性。颗粒之间的热通量由下式计算18：().,i ji jjiQhTT=?