纳米颗粒C语言数值模拟_细颗粒鼓泡流化床内气固流动特征数值模拟研究

紊流化技术在燃煤、化工等领域已广泛应用。随着循环流化床(CFB)机组锅炉的参数和容量不断增加，300MW及以上容量的CFB机组普遍设置了内置或外置式流化床换热，适于布置中温过热器和再热器，其工作情况直接影响整个锅炉的安全经济运行。这种内置或外置式流化床实质为细颗粒鼓泡流化床，其流化特征与主燃烧室外粗颗粒流化床的流化特征存在较大差别。

周旭和孙献斌等通过实验发觉，在内置式换热中，气固流动存在流化滞区。卢啸风等从成因上对贴壁流化滞区的产生进行了剖析，流化滞区的存在会导致内置流化床内传热不均，使内置流化床中部受热面超温爆管。同时，张文清等通过实验发觉，受热面的布置形式也会对流化床内部的气固流动状态形成影响。当受热面管束平行于灰流动方向布置时，内置流化床头壁处颗粒边界层宽度较小；当受热面管束垂直于灰流动方向布置时，内置流化床头壁处颗粒边界层宽度较大。

现在早已出现了多种内置式或外置式流化床换热的结构方案，有水平流动模式、溢流流动模式、自上而下流动模式等。不同结构的内置式或外置式换热，其内部的颗粒流动模式不同。为此，为了确保细颗粒鼓泡流化床内的流化均匀性，减少流化滞区，保证受热面的安全运行，还要对细颗粒鼓泡流化床中的气固流动特征进行深入研究。本文以自行搭建的新型金堂化床冷模实验系统中的副流化床为研究对象，考虑不同的回流模式和受热面布置形式，对细颗粒鼓泡流化床流动特征进行三维数值模拟研究。

1

模型介绍

1.1控制多项式

对于二氧化碳相g，连续性多项式为

对于固体颗粒相s，连续性多项式为

对于二氧化碳相g，动量多项式为

式中：p为氢气压力；

为重力加快度；b为相间动量传递系数；

为二氧化碳相应力卷积，其式子为

式中：mf为流体有效粘度，kg/(m·s)；

为单位卷积。

对于固体颗粒相s，动量多项式为

其中：ps为液相压力，拿来表示因为颗粒间的互相作用而形成的法向力；

为液相挠度卷积，其式子为

颗粒拟气温θ定义为θ=Cv2/3，其中，Cv为颗粒波动速率。颗粒拟气温多项式为

式中：dp为颗粒粒径，m；e为颗粒间的碰撞恢复系数，本文取0.95；颗粒与外墙间的碰撞恢复系数取0.9。

使用标准k-e紊流模型对每一相的湍动能k和耗散率ε进行估算。

二氧化碳相与固体颗粒相之间的互相作用主要以曳力的方式表示，曳力适于模拟气固两相之间的动量交换，与气固两相流的性质及流动状态有关。SYAMLAL和O’BRIEN通过实验提出的曳力模型被广泛应用，模型为

式中：es,max为最大固体相容积分数；mg为二氧化碳分子粘度，kg/(m·s)。

胶束压力由SYAMLAL和O’BRIEN给出：

胶束剪切粘度使用SYAMLAL和O’BRIEN提出的估算式：

胶束容积粘度由LUN等人给出：

锥面分布函数为

颗粒能量传导率为

1.2模拟方案

图1为4种不同回流结构的副流化床结构示意。其中，副流化床尺寸b为390mm。二氧化碳从副流化床上方的布风板均匀踏入副流化床中，副流化床中的二氧化碳从颗粒入口截面和回流口流出。从主流化床来的固体颗粒，通过颗粒入口步入副流化床，在副流化床流化风的作用粗俗化，大部份颗粒通过回流口流出副流化床，返回主流化床中；少量颗粒会在流化风的卷携夹带作用下从颗粒入口飞出，返回主流化床。

选用典型实验载荷作为数值模拟载荷：床料颗粒密度为2529kg/m3，床料颗粒粒径为184.32μm；主流化床初始床高为400mm，隔墙高度为600mm；主流化床流化风速为6×Umf(临界流化风速Umf为0.35m/s)，副流化床流化风速为1×Umf，固体颗粒以品质流量2.456kg/s通过颗粒入口步入副流化床；初始状态下副流化床内堆积床层高度为450mm的床料颗粒。

1.3网路

由图1可知循环流化床，在副流化床中，颗粒入口截面既是颗粒踏入副流化床的入口，又是二氧化碳和少量颗粒离开副流化床的出口。为了才能在估算硬件中按照实际状况对该截面进行设置，人为将该截面等分为9份。使用AnsysICEM硬件对副流化床进行建模及网格界定。图2为副流化床三维网格示意，其结构为前溢流结构。对前溢流结构的副流化床进行网格界定，得到3种网格数量(表1)。分别使用3种数量的网格在上述典型载荷下进行数值模拟估算。根据图2所示直角座标系，分别取x=150mm，z=400mm；x=300mm，z=400mm；x=450mm，z=400mm处沿y轴方向的局部固含率数值。使用光纤颗粒含量测定仪在自行搭建的实验装置上检测相似载荷下相似位置处的局部固含率，将数值模拟结果与实验结果进行对比。图3为使用不同网格得到的不同位置处沿y方向的局部固含率分布的数值模拟结果与实验结果的对比

从图3可以看出：使用网格2和网格3所得到的数值模拟结果与实验结果匹配度较差，同时数值模型的靠谱性也得到了验证；网格2的网格数量较少，估算效率较高。故选用网格2总数级的模型进行相关的数值模拟估算。

1.4边界条件

由图2可见：固体颗粒以2.456kg/s的品质流量平行于“1”截面均匀踏入副流化床，颗粒和二氧化碳均可从“2”“3”截面自由流出；二氧化碳以1×Umf的速率平行于“4”截面均匀踏入副流化床。其余各面均被设置为外墙。在墙上处，二氧化碳相选用无滑移条件，固体颗粒相选用部份滑移Johnson和Jackson边界条件。颗粒与外墙间的碰撞恢复系数为0.9，镜面反射系数为1×10–5。

使用相耦合的SIMPLE算法进行压力速率耦合，使用二阶迎风算法来离散k-ε流场模型的对流项、颗粒拟气温和动量控制多项式。控制多项式由AnsysFluent硬件求解。时间步长设置为1×10–5s，收敛准则设置为5×10–5。当每位估算载荷颗粒出口品质流率在小范围内波动时，觉得模拟载荷达到稳定状态，继续估算20s，提取这20s的估算数据并求取平均值。

2

数值模拟结果剖析

以下剖析中，X-Y座标与图2中X-Y座标相似，h代表该截面距布风板的高度，x=0mm处为窑炉隔墙，y=0mm及y=390mm处为侧墙，x=610mm处为后墙。分别选用与布风板垂直，距布风板高度为50、150、250、350、450mm的截面，通过剖析各截面上的气固流动状态，得到整个副流化床内的气固流动特征。

2.1不同回流结构副流化床内固含率分布

图4为前溢流结构与后溢流结构副流化床内不同床高截面处固含率分布。

从图4可以看出：在前溢流和后溢流结构副流化床中，350mm床高以下的固含率分布较为均匀；450mm床高处的固含率数值较低，主要因为回流口的位置在距布风板450mm处。通过数值模拟估算，得出前溢流结构副流化床内的平均固含率为37.90%，后溢流结构副流化床内的平均固含率为40.51%。在后溢流结构副流化床中，颗粒从入口到回流口之间的流动距离比在前溢流结构副流化床中长，所以更易使颗粒在副流化床内发生滞留，致使固含率下降。因此由图4还可以看出：在前溢流结构副流化床中，紧靠隔墙侧的固含率相比对侧过高；而在后溢流结构副流化床中，紧靠隔墙侧的固含率相比对侧过高。这主要是遭到副流化床结构及回流口位置的影响。

图5为前底流结构与后底流结构副流化床内不同床高截面处固含率分布。

由图5可以看出：在前底流和后底流结构副流化床中，固含率均较低；在前底流结构副流化床中，紧靠窑炉隔墙的右侧固含率相比于对侧较高。这是因为颗粒入口和回流口都在紧靠窑炉隔墙两侧，回流口处压力低，颗粒踏入副流化床后，在流化风的作用下，直接从回流口流出，基本不会运动至后墙区域。在h=50mm截面上，固含率稍有下降，这是由于踏入副流化床的颗粒运动至紧靠布风板后，运动方向发生改变，因此在布风板附近出现颗粒滞留的现象。在后底流结构副流化床中，50mm床高处，后墙区域局部固含率较高。这是因为踏入副流化床的颗粒还要从后墙底端的回流口流出，因此颗粒在后底流结构副流化床内的运动路径比前底流结构副流化床内长，致使副流化床上方颗粒量增多，固含率上升。

按照数值模拟估算结果，前底流结构副流化床内的平均固含率为0.24%，后底流结构副流化床中的平均固含率为1.00%。在前底流及后底流结构副流化床中，固含率低，颗粒在副流化床内的逗留时间短，所以不促使副流化床内的受热面传热。

2.2不同回流结构副流化床内颗粒总体速率分布

图6为前溢流结构与后溢流结构副流化床内不同床高截面处颗粒总体速率分布。由图6可见：因为边壁效应，副流化床中部的颗粒总体速率较高，紧靠边壁处颗粒总体速率较低；在前溢流结构副流化床中，因为入口效应，在h=450mm截面处紧靠颗粒入口位置的颗粒总体速率过高。通过对比可以看出，后溢流结构副流化床内的颗粒总体速率显著低于前溢流结构副流化床，因此后溢流结构副流化床内的颗粒运动更为猛烈。这主要是因为2种回流结构中，回流口位置的不同造成的副流化床内颗粒的运动轨迹和运动状态不同。

图7为前底流结构与后底流结构副流化床内不同床高截面处颗粒总体速率分布。由图7可见，在前底流和后底流结构副流化床中，颗粒的总体速率展现紧靠隔墙区域高，紧靠后墙区域低。主要成因是在前底流和后底流结构副流化床中，固含率十分低，所以从颗粒入口步入并在副流化床中下落的颗粒不易与其他颗粒发生碰撞，不易形成能量耗损，致使颗粒运动速率较高。因此，在后底流结构副流化床中，h=250mm床高以下，紧靠后墙区域的颗粒总体速率慢慢上升，这是因为回流口坐落后墙顶部的成因引致。

2.3不同回流结构副流化床内颗粒竖直方向速率分布

颗粒踏入副流化床后，遭到副流化床内竖直方向上流化风的作用而发生运动状态的改变，所以研究颗粒竖直方向(Z方向)速率的分布，对了解副流化床内颗粒整体的运动状态非常重要。图8为前溢流结构与后溢流结构副流化床内不同床高截面处颗粒Z方向速率分布。

由图8可见：因为边壁效应的影响，紧靠边壁处颗粒Z方向速率低，副流化床中部颗粒Z方向速率较高；在前溢流结构副流化床中，各床高截面上的颗粒Z方向速率存在波动，但整体较为均匀；在后溢流结构副流化床中循环流化床，在h=250mm床高以下的区域，紧靠隔墙处颗粒Z方向速率显著竖直向上，紧靠后墙处颗粒Z方向速率竖直向下。说明床料颗粒在后溢流结构副流化床中整体展现逆秒针旋转运动，因此颗粒在后溢流结构副流化床中的运动更为猛烈。

图9为前底流结构与后底流结构副流化床内不同床高截面处颗粒Z方向速率分布。

由图9可见：在前底流和后底流结构副流化床中，固含率较低，因此颗粒踏入副流化床后，在紧靠隔墙的区域直接下落；在后底流结构副流化床h=250mm床高以下区域，紧靠后墙的颗粒也出现了较小的竖直向上的Z方向速率，说明颗粒下落至副流化床中上部区域后，边向后墙底端回流口联通边继续下落。

2.4不同回流结构副流化床内颗粒边界层宽度

通过前文讨论，发觉在相似典型载荷下，前底流和后底流结构副流化床中固含率十分低，已不属于鼓泡流化床状态，所以不再进行讨论。

因为边壁效应，颗粒在副流化床头壁处速率较低，易产生颗粒边界层。对副流化床内颗粒边界层的长度进行研究，可以对副流化床内受热面的布置形式提供指导。

在前溢流和后溢流结构副流化床中，遭到回流口位置的影响，颗粒主要沿垂直于右侧墙的方向运动，因此在左侧墙处更易产生颗粒边界层。分别取x=150、300、450mm处竖直截面上，h=100、200、300、400mm(h即为Z方向距布风板的高度)处的颗粒速率分布，结果如图10、图11所示。图中，实线为各位置区域的颗粒速率平均值。由图10、图11可见：因为边壁效应，紧靠右侧墙颗粒局部速率趋近于0；顺着对准副流化床中部的方向，颗粒局部速率慢慢上升，达到并超出该区域颗粒的平均速率；因为副流化床内气固流动的随机性，顺着对准副流化床中部的方向，当局部颗粒速率少于该区域颗粒平均速率以后，就会发生速率波动的状况。从侧墙起，顺着平行于侧墙对准副流化床中部的方向，当颗粒局部速率第一次达到该位置颗粒平均速率时，所对应的位置到侧墙的距离，可被看作侧墙颗粒边界层的宽度。

通过图10和图11可以得到前溢流和后溢流结构副流化床内，不同截面两侧墙颗粒边界层的平均长度(侧墙边界层宽度占副流化床尺寸的比率)见表2。由表2可见，在前溢流结构副流化床中，从紧靠隔墙到避开隔墙的截面上，侧墙颗粒边界层宽度日益提高。这是因为回流口坐落隔墙上，因此在紧靠隔墙处颗粒运动更为猛烈，颗粒边界层宽度较小。后溢流结构副流化床内不同截面处的侧墙颗粒边界层平均长度均大于前溢流结构副流化床内相似截面上的侧墙颗粒边界层平均长度。说明回流口位置的改变造成副流化床内颗粒整体流动状态发生变化。后溢流结构副流化床内的颗粒运动更为猛烈，所以其侧墙颗粒边界层的平均长度更小。

2.5换鳍片布置形式对副流化床内颗粒边界层宽度的影响

建立带有平行于隔墙的换鳍片和垂直于隔墙的换鳍片的副流化床模型，回料形式选用前溢流结构。副流化床的结构规格与图1相似。为保证两模型中换鳍片的总传热面积基本相似，选用直径为30mm的换鳍片，平行于隔墙布置时，错排布置12根换鳍片；垂直于隔墙布置时，错排布置18根换鳍片。在两模型中，最下排换鳍片距离布风板150mm，上下两排换鳍片宽度为100mm。得到的模型如图12、图13所示，图中标号为“3”的截面为回流口。经过网格无关性验证，荣获网格参数见表3。表4为带有换鳍片的副流化床内不同截面处侧墙颗粒边界层的平均长度。从表4可以看出，从紧靠隔墙到避开隔墙的截面上，两模型侧墙颗粒边界层宽度均逐步降低，这是由于回流口位置引致。

通过表2和表4可以看出，在副流化床内加入换鳍片，有促使侧墙颗粒边界层宽度的降低。这是因为加入换鳍片造成副流化床内二氧化碳流通截面积降低，气速降低，导致气固流动猛烈，颗粒边界层宽度增大。

通过对比2种带有换鳍片的副流化床内不同竖直截面两侧墙颗粒边界层的平均长度，可以看出，带有垂直于隔墙换鳍片的副流化床内的侧墙颗粒边界层平均宽度大于带有平行于隔墙换鳍片的副流化床。说明当换鳍片垂直于隔墙布置时，即换鳍片布置方向与颗粒从回流口流出的方向平行时，换鳍片对副流化床内颗粒流动的扰动加强，对侧墙颗粒边界层的产生起到了抑止作用。

3

推论

1)数值模拟结果与实验装置的实验结果匹配度较差，验证了数值模拟模型的牢靠性。

2)前底流与后底流结构副流化床内固含率低，不属于鼓泡流化床状态。前溢流结构副流化床内的固含率稍低，颗粒运动速率较慢，气固流动较为温和；后溢流结构副流化床内的固含率稍高，颗粒运动速率较快，气固流动较为猛烈。

3)当颗粒入口与颗粒出口坐落细颗粒鼓泡流化床对侧时，其内部颗粒运动更为猛烈，所以其侧墙颗粒边界层的平均宽度大于颗粒入口与颗粒出口坐落细颗粒鼓泡流化床同侧时的状况。

4)当换鳍片布置方向与颗粒从回流口流出的方向平行时，换鳍片对细颗粒鼓泡流化床内颗粒流动的扰动加强，对侧墙颗粒边界层的产生起到了抑止作用。

文献信息

宋杨凡,卢啸风,高建强.细颗粒鼓泡流化床内气固流动特征数值模拟研究[J].热力发电,2020,49(05):40-49.

非常提示：循环流化床发电“信息检索”功能已开通，欢迎使用，技术问题可致信xhlhcfd@163.com咨询！