液固流态化动态过程中相间作用力的数值模拟及实验验证

发布时间：2021-06-17 23:35

　　选择恰当的相间作用力模型是液固流态化动态特性CFD建模的关键。首先采用Richardson-Zaki关联式验证了稳态操作条件下整体固含率的实验结果,然后在基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉双流体模型中比较了Wen-Yu、Gidaspow、Syamlal-O’Brien、Dallavalle和TGS 5个曳力计算公式对液固流化床收缩和膨胀特性的数值模拟结果,进而探讨了Moraga等提出的升力模型影响行为及主要相间作用力影响机制。与实验测量数据比较结果表明:收缩过程中Syamlal-O’Brien和TGS曳力模型对响应时间预测较为准确,TGS曳力模型对整体固含率的预测精度较高;膨胀过程中TGS曳力模型对响应时间和整体固含率的预测优于其他模型。整体而言,基于静止颗粒群绕流直接模拟得到的TGS曳力模型忽略了颗粒-颗粒相互作用,与液固散式体系中颗粒动力学特性相符合。升力模型对动态特性模拟结果影响较小,CFD模拟时根据选择体系可予以适当忽略。 

【文章来源】：化工学报. 2020,71(11)北大核心EICSCD

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【部分图文】：

液固流态化实验装置

图2给出了床层达到稳定流化状态时实验测量与Richardson-Zaki公式预测的对比结果。总体而言，两者较为吻合，最大相对误差小于10%，平均相对误差在5%以内，该结果略优于文献[21-22]。但在液体操作速度较低时，两者偏差相对较大，其中操作速度为0.015、0.022、0.029 m·s-1时对应的相对偏差分别为9.0%、7.1%和6.9%，其主要原因是液速较低时床层膨胀相对较浅，导致分布器影响较大，在后续实验中将予以注意。2 数学模型

图4展示了case 1中液固流化床收缩过程的实验和数值模拟动态结果。初始时刻床层高度为530 mm，由图4(a)的实验结果可以发现，收缩过程中床层表面存在一定波动，历经约8.5 s后床层降至400 mm的稳定高度处；图4(b)以TGS曳力模型计算结果为例给出了床层颗粒浓度的时间分布，模拟的床层表面十分平整，收缩过程时长约8.0 s且床层高度最终降至395 mm。当操作速度从u0突然降至u1后，处于稳定流化状态的颗粒加速下落，颗粒所受阻力增大导致其加速度减小，极短暂加速运动后颗粒开始匀速下落。悬浮液中颗粒以相同速度同时下落，因此颗粒浓度与床层收缩前保持一致。上述分析适用于流化床内大部分区域，但是床层底部颗粒无法向下运动，上方颗粒持续落入该区域后受较高颗粒浓度影响而所受阻力增大，导致速度降至为零。此时床层底部形成了颗粒浓度为εs,1的“浓相”区，上部则存在着颗粒浓度为εs,0的“稀相”区，浓-稀相间的过渡区域称为“分隔界面”，稀相区持续下落并缩小，浓相区则不断向上扩张，如图4所示。当上升的分隔界面与下降的床层表面相遇、合并后，收缩过程结束，此时整个床层达到对应于操作速度u1、颗粒浓度为εs,1的平衡状态。


本文编号：3236132