内容简介
《超常颗粒稠密气固两相流动数值模拟与应用》在作者多年研究的基础上整理和归纳了稠密气固两相流动中超常颗粒系统(非球形颗粒、湿颗粒)的数值计算模型,详细介绍超常颗粒与理想球形颗粒系统流动特性的区别,总结和介绍超常颗粒系统中出现的特有流动结构。《超常颗粒稠密气固两相流动数值模拟与应用》共7章,第1章对非球形颗粒及湿颗粒气固两相流进行基本介绍;第2~4章对超常颗粒稠密气固两相流动数值计算模型进行详细介绍:气固两相流动数学模型、非球形颗粒动力学、湿颗粒动力学;随即第5~7章详细介绍不同流化床床型中超常颗粒稠密气固两相流动特性:鼓泡流化床非球形颗粒及湿颗粒行为研究、喷动流化床非球形颗粒及湿颗粒行为研究及提升管非球形颗粒及湿颗粒行为研究。
目录
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青年多创新,求真且力行(代序)
前言
常用符号及简写说明
第1章 非球形颗粒及湿颗粒气固两相流 1
1.1 气固流态化简介 1
1.2 气固两相流态化的实验研究 3
1.3 气固两相流态化的数值模拟研究 5
1.4 典型超常颗粒系统 10
1.4.1 非球形颗粒系统 10
1.4.2 湿颗粒系统 12
1.5 本章小结 14
参考文献 14
第2章 气固两相流动数学模型 20
2.1 引言 20
2.2 气固两相流动数学模型 20
2.2.1 离散硬球模型 20
2.2.2 离散软球模型 26
2.2.3 气相模型 28
2.2.4 气固相互作用 30
2.3 本章小结 32
参考文献 32
第3章 非球形颗粒数学模型 34
3.1 引言 34
3.2 非球形颗粒离散颗粒硬球模型 34
3.2.1 非球形颗粒特征分析 34
3.2.2 非球形颗粒碰撞搜寻算法 36
3.2.3 非球形颗粒碰撞模型 39
3.2.4 流动控制方程 45
3.2.5 数值模拟计算流程 45
3.3 模型验证 46
3.3.1 鼓泡流化床 46
3.3.2 喷动床 49
3.4 本章小结 62
参考文献 63
第4章 湿颗粒数学模型 65
4.1 引言 65
4.2 湿颗粒离散颗粒软球模型建立 65
4.2.1 湿颗粒间液桥力 66
4.2.2 颗粒间碰撞力 69
4.2.3 颗粒运动积分格式 70
4.2.4 流动控制方程 70
4.2.5 数值模拟计算流程 70
4.3 模型验证 71
4.3.1 实验系统简介 72
4.3.2 实验及模拟工况设置 73
4.3.3 填隙液体物性测量 74
4.3.4 床内湿颗粒流化行为 75
4.4 本章小结 78
参考文献 78
第5章 鼓泡流化床非球形颗粒及湿颗粒流动行为研究 80
5.1 引言 80
5.2 数值模拟初始及边界条件 80
5.3 球形颗粒鼓泡流化床颗粒流动行为分析 82
5.3.1 常规重力下颗粒流动行为研究 82
5.3.2 不同重力下颗粒流动行为研究 85
5.4 非球形颗粒鼓泡流化床颗粒流动行为分析 97
5.4.1 非球形颗粒与球形颗粒运动特性对比 97
5.4.2 弹性恢复系数对非球形颗粒流动行为的影响 101
5.4.3 重力加速度对非球形颗粒流动行为的影响 103
5.5 湿颗粒鼓泡流化床颗粒流动行为分析 109
5.5.1 干颗粒与湿颗粒运动特性对比 109
5.5.2 弹性恢复系数的影响 114
5.5.3 相对液体量的影响 117
5.6 本章小结 124
参考文献 125
第6章 喷动流化床非球形颗粒及湿颗粒流动行为研究 126
6.1 引言 126
6.2 数值模拟初始及边界条件 126
6.3 模型验证 127
6.3.1 离散硬球模型 127
6.3.2 离散软球模型 130
6.4 球形颗粒流动行为研究 137
6.5 非球形颗粒流动行为研究 152
6.6 湿颗粒流动行为研究 166
6.6.1 床内脉动特性 166
6.6.2 颗粒流态化行为 169
6.6.3 颗粒的混合 172
6.7 本章小结 176
参考文献 177
第7章 提升管非球形颗粒及湿颗粒流动行为研究 178
7.1 引言 178
7.2 数值模拟初始及边界条件 178
7.3 模型验证 179
7.3.1 离散硬球模型 179
7.3.2 离散软球模型 184
7.4 球形颗粒聚团颗粒温度研究 184
7.5 非球形颗粒聚团颗粒温度研究 190
7.6 湿颗粒聚团颗粒温度研究 196
7.7 本章小结 201
参考文献 201
试读
第1章 非球形颗粒及湿颗粒气固两相流
1.1 气固流态化简介
流态化是流体与固体颗粒物料相互作用而形成的一种新的状态[1]。当固体颗粒物料流化时,随着流体流率的增大,床层的流动压降逐渐增加,当流体流率达到某数值时,床层压降等于单位断面床层中颗粒物料的净重[1],颗粒随之开始运动,产生了流态化现象。
图1-1是工业应用中典型的流化床分类情况[2]。当气体速度很低时,气体仅依靠渗透作用通过床内的颗粒层,颗粒在重力的作用下处于固定状态,此时系统为固定床。随着气速的增加,气体对于颗粒的曳力也逐渐增加,直到足够抵消颗粒的净重力(重力与浮力之差),这样颗粒就处于流化状态。使颗粒处于流化状态的*小气体速度称为*小流化速度,而在*小流化速度下颗粒受到的曳力等于净重力。当气体速度增大时,气固两相流和气液两相流会呈现出不同的特征。在气液流化床中,床层会逐渐增高,这种现象称为散式流态化。但是在气固流化床内,散式流态化只出现在颗粒尺寸较小或质量较小的情况下。在大多数的气固流化床中会出现气泡,这种流化床称为鼓泡床。如果床体的内径过小,气泡直径会接近流化床内径大小,形成气泡栓塞,产生节涌现象,这种流化床称为节涌床。当气体速度继续增加时,流化床内的颗粒会呈现出类似湍流的结构,这种流化床叫作湍动床。湍动床一般出现在循环流化床中的提升管或下降管中。如果气体速度极大,颗粒的运动速度会超过终端速度。在这种情况下,颗粒可以被流体由出口带出,床层不存在上表面,这种现象被称为气力输送。
图1-1 工业应用中典型流化床分类[2]
但是,并非所有颗粒都能够呈现图1-1中的流化类型。除了入口气体速度,流化类型还与其他因素有关,如床体几何结构、颗粒类型、入口气体速度分布等。根据大量的实验数据,Geldart[3]对气固流化床内的颗粒进行了分类,得到了颗粒的流化规律。如图1-2所示,Geldart根据颗粒在气固两相流中的不同特性将颗粒分为四类,分别为Geldart A类、Geldart B类、Geldart C类和Geldart D类[3]。
图1-2 针对气体流化的颗粒分类[3]
Geldart A类颗粒被称为可充气颗粒或细颗粒,通常具有较小的颗粒直径(dp<130μm)和颗粒密度(ρp<1400kg/m3)。这类颗粒可以很容易被流化,其*重要的特点是当气体速度大于*小流化速度时,A类颗粒会呈现散式流态化,并且只有床内气体速度达到*小鼓泡速度时才会产生气泡。流体裂化催化剂(fluid cracking catalysts,FCC)颗粒是典型的Geldart A类颗粒。
Geldart B类颗粒被称为鼓泡颗粒或粗颗粒,颗粒直径为150~500μm,密度为1400~4000kg/m3。对于这类颗粒来说,一旦气体速度达到*小流化速度,床内就会产生气泡。Geldart B类颗粒在流化床内产生的气泡直径*大可以达到流化床床体的内径。玻璃珠和沙粒属于典型的Geldart B类颗粒。
Geldart C类颗粒被称为黏性颗粒或超细颗粒,其平均粒径一般小于30μm。Geldart C类颗粒极难流化,这主要是由于颗粒间的范德瓦耳斯力相对会比较大,在流化时极易产生聚团,导致沟流。滑石粉、面粉和淀粉等属于典型的Geldart C类颗粒。
Geldart D类颗粒被称为过粗颗粒,多在喷动床中使用。Geldart D类颗粒具有较大的直径和密度,不易流化。当在床内通入高速气体时,会形成射流,颗粒会呈现喷泉状运动。玉米、铅丸等材料是典型的Geldart D类颗粒。
在工业流化床中大量使用了Geldart A类颗粒和B类颗粒,其中A类颗粒大部分应用于液固或气液固流化系统中。随着进一步的研究,相关学者发现部分C类颗粒[4]和少部分小直径D类颗粒[5,6]是可以被流化的。
1.2 气固两相流态化的实验研究
实验测量是研究流化床内颗粒运动行为的重要手段之一,多尺度数值模型也需要明确的实验结果用于模型验证。在实验研究方面,由于各种测量方法和测量仪器的不断改进,测量单颗粒和颗粒聚团(气泡)等介尺度的运动特征并分析其规律已成为可能,对于气固两相流动的实验测量也逐渐由表面到内部、由宏观到微观、由大尺度向介尺度发展。
在实验研究的早期,学者们曾经使用X射线获得流化床内的流态化规律,如Yates等[7]应用该技术研究了流化床内两种不同大小颗粒的运动行为。数字图像分析(digital image analysis,DIA)技术是研究流化床系统的重要手段之一,Yang等[8]使用DIA技术进行了气泡演化特性的研究。Goldschmidt等[9]应用DIA技术研究了扁平(拟二维)流化床内床层膨胀、颗粒分离和气泡行为。Pianarosa等[10]应用光学探针研究了喷动流化床内空隙率和颗粒速度的分布。激光多普勒测速(laser Doppler velocimetry,LDV)技术经过多年的发展也可以应用于稠密气固两相流动的实验测量中,如Mychkovsky等[11]使用LDV技术对流化床内气相流场和固相运动进行了测量。Wildman等[12,13]采用粒子跟踪测速(particle tracking velocimetry,PTV)技术研究了振动流化床内的颗粒温度特性,在该技术中,*先确定单个颗粒的速度,然后统计得到系统内固相速度分布和颗粒温度分布,该技术的缺点是需要高配置的相机捕捉每个颗粒的轨迹或者要求流化床内颗粒的体积密度很低。Bhusarapu等[14]采用放射性粒子自动跟踪(computer-automated radioactive particle tracking,CARPT)技术进行了提升管内颗粒运动特性的测量工作,结果显示固相应力的各向异性分布特征非常明显。Jung等[15]应用电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)图像传感器照相技术测量了薄鼓泡流化床内的颗粒速度、雷诺应力和颗粒温度分布,结果显示颗粒轴向脉动速度二阶矩约为径向分量的4倍。Holland等[16]应用磁共振(magnetic resonance,MR)测量技术进行了鼓泡床内颗粒温度的研究,结果发现床内存在显著的各向异性特征,轴向颗粒温度为径向颗粒温度的3~5倍,*高甚至可达10倍以上。Shao等[17]测量了流化床内不规则形状颗粒系统不同流型的变化,并给出了*小流化速度的拟合式。
近些年来,光学全场测量技术已经被成功应用于流化床内颗粒行为的研究中。其中,粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术具有无干扰瞬态测量﹑数据实时采集和处理等优点。随着PIV技术及图像处理方法的不断发展,应用PIV技术进行气固两相流系统中颗粒流体动力学的测量已经成为一种行之有效的手段,对了解流态化行为起到了重要的推动作用[15,18]。
PIV技术是20世纪90年代后期成熟起来的一种光学测量技术,是激光技术、信号处理技术、芯片技术、计算机技术、图像处理技术等高新技术发展的综合结果[19]。流场的光学测量是基于非均匀介质中(可见)光的折射、吸收或散射实现的。在光学均匀流体中,入射光与流体无显著的折射或散射等相互作用导致流场的运动信息无法被检索到。而PIV技术则通过在流场中加入微小的具有散射效果的示踪粒子,用于气体或液体流场的可视化研究。典型的PIV系统包括光源系统、图像采集系统、处理系统等[20]。激光束*先从激光发射器中射出,通过柱面透镜形成具有一定扩束角的薄激光平面,流场中位于激光平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头聚焦后,通过CCD相机拍摄两个间隔极短的时刻示踪粒子的位置,再将每帧图像划分为小块的查问区后,对两帧图片中相应的查问区进行相关性运算,可得到查问区内示踪粒子的平均位移,进而获得各个查问区内流场的二维速度向量分布[19]。
在流化床气固两相流中,由于离散颗粒可以容易地被区分开,因此不再需要额外的示踪粒子就可以直接进行颗粒运动的可视化测量[21]。流化床内颗粒的密度相对较高,激光往往无法穿透整个床面,通常在流化床的前部使用卤素灯作为照明系统,并用CCD高速相机记录被照射面上颗粒的位置图像,进而在进行相关性分析后获得瞬时乳(密)相速度场与气泡相的详细信息(气泡尺寸、流速分布和气泡体积分数等)。然而,PIV技术的缺点是要求视觉上的可视化,而光学技术是无法探测三维流化床内部颗粒的流体动力学过程的,因此扁平的拟二维流化床结合PIV技术成为实验研究的主要手段[22]。
Bokkers等[21]将PIV技术应用到稠密气固流化床中,测得气泡周围的颗粒速度分布,指出应用基于格子-玻尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method,LBM)模拟得到的Koch-Hill曳力模型[23]比应用Ergun[24]方程与Wen和Yu[25]曳力模型获得的模拟结果更符合实验测量结果。Pallarès和Johnsson[26]使用荧光示踪颗粒研究了拟二维流化床内颗粒的浓度场、速度场和混合过程,发现示踪颗粒的混合主要以气泡引起的水平旋涡的方式存在。Dijkhuizen等[27]对PIV技术进行了扩展,使其可以同时测量瞬时颗粒速度和瞬时颗粒温度的分布,研究了流化床中初始流化状态,发现*高的颗粒温度出现在气泡周围,指出在实验过程中,直接光照方式比非直接光照方式的对比度更高,效果更好。Shi[28]应用PIV技术研究了循环流化床提升管中气固两相流的颗粒运动和聚团现象,捕捉到了各种聚团的微观结构和可视化图像。Müller等[29]同时应用PIV和平面激光诱导荧光(planar laser-induced fluorescence,PLIF)测量技术研究了在流化床自由区内单个和连续气泡的喷发过程,基于自由区内气体涡的计算,发现气泡引发的湍流衰减非常快,而立体PIV测量平面外的液体速度分量是不可忽略的。Kashyap等[20]用PIV技术获得了循环流化床提升管发展段近壁面处Geldart B类颗粒的层流和湍流属性,使用CCD相机同时测量了轴向和径向方向上的固相瞬时速度,结合自相关技术,开发了一种新的方法用于确定轴向和径向固相分散系数。Hernández-Jiménez等[30]通过实验和模拟研究了5mm厚的矩形鼓泡流化床的流体动力学,应用PIV技术和DIA技术,获得了气泡流体动力学、密相概率、密相垂直和水平的时间平均速度变化规律。
1.3 气固两相流态化的数值模拟研究
气固流化床是一种复杂的气固两相颗粒系统,随着操作参数的变化,会呈现出不同的流态化特性,并应用于不同的工业过程。经过数十年的研究以后,学者们提出了不同的流态化图谱用于区分不同操作参数下流化床内气固两相的流态化特性,如Grace[31]、Nagarkatti和Chatterjee[32]、Vukovi?等[33]、He等[34]和Link等[35]均提出了不同的流态化图谱,其研究方法也由传统的经验式推导发展到信号分析方法,如功率谱分析等。研究表明,在气固流化床中,其流态化特性是一种复杂的、跨尺度的气固流动行为,研究其内在机理具有重要的理论价值和工程实际意义。
在稠密气固两相流动的研究中,由于实验技术的限制,很难得到流态化过程中参数的详细变化趋势,如颗粒小尺度脉动信息等,而且实验设备的成本较高,实验台搭建困难。随着计算机技术的发展,数值模拟方法以其较低的成本和较高的精确性,逐渐成为气固两相流动研究的重要工具之一。在应用数值模拟方法进行气固两相流动的研究中,研究人员可以在不干扰流场的情况下详细“观察”流场中的各个参数,获得其在时间及空间上的分布,进而分析流态化行为的内在机理与规律。
图1-3是Dudukovic[36]提出的反应器内不同的时间和空间尺度。在反应器研究中,需要由单个原子之间的反应过程逐渐扩展到反应器整体的行为,涵盖了分子(