氣固流化床是能源、化工、冶金、石油等行業(yè)的重要設(shè)備。與傳統(tǒng)的反應(yīng)器及燃燒設(shè)備相比較，它具有設(shè)備大型化、過(guò)程易于控制、傳熱傳質(zhì)效率較高、床內(nèi)溫度分布較均勻等優(yōu)點(diǎn)。由于其廣闊的應(yīng)用前景使它自誕生的幾十年來(lái)倍受人們的關(guān)注，但床體內(nèi)氣固兩相存在強(qiáng)烈的非線性、復(fù)雜性作用使人們對(duì)床層內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律尚不十分清楚，從而導(dǎo)致了流化床設(shè)備的設(shè)計(jì)與放大方面存在很多困難。

為了更好地了解氣固流化床內(nèi)的兩相流動(dòng)規(guī)律以便設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)備，氣固鼓泡流化床作為一種最基本的流態(tài)化設(shè)備一直被作為許多研究者的對(duì)象。對(duì)鼓泡床的研究方法通常有兩類，一是借助某種數(shù)學(xué)模型來(lái)研究氣泡特性及其影響因素、氣泡與氣相及顆粒相的相互作用，以對(duì)鼓泡床的流態(tài)化過(guò)程進(jìn)行研究；二是利用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)氣泡進(jìn)行模擬，然后與來(lái)自于試驗(yàn)或文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以確定模型的合理性。

本文是采用 Fluent 計(jì)算流體力學(xué)軟件，基于雙 EULERIAN 模型對(duì)氣固鼓泡床內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)分布板鼓泡床的壁面邊界條件進(jìn)行探討，對(duì)模型中是否應(yīng)考慮兩相對(duì)壁面的滑移進(jìn)行研究也對(duì)分布板鼓泡床中的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。

不同壁面邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響分析

目前對(duì)振動(dòng)流化床及配件床體壁面的邊界條件，多數(shù)研究者都把氣固兩相對(duì)壁面做無(wú)滑移處理，即未考慮氣固兩相對(duì)壁面的剪切力。但根據(jù)“糧倉(cāng)效應(yīng)”原理，也有研究者認(rèn)為應(yīng)該考慮兩相對(duì)壁面存在的剪切力。因?yàn)閱螄娮旃呐荽仓挥袊娮旄浇攀枪呐莶僮魉俣?，壁面附近的顆粒對(duì)床體有無(wú)作用的效果不明顯。

從模擬結(jié)果來(lái)看，流態(tài)化初期密相床層內(nèi)的高度方向上存在速度差，這就導(dǎo)致高度方向上的流態(tài)化氣速大小不一，較低的氣速使床層發(fā)生均勻膨脹，而較高的氣速則會(huì)導(dǎo)致氣泡的生成。模擬所用顆粒直徑為 0.2mm，屬于流態(tài)化原理中 Geldart B 類顆粒，該類顆粒在流態(tài)化氣速較小時(shí)床層會(huì)先發(fā)生均勻膨脹而無(wú)氣泡生成，隨著流態(tài)化氣速增大至鼓泡速度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)氣泡。計(jì)算結(jié)果與流態(tài)化原理導(dǎo)出的結(jié)論一致。從0.7s至1.0s內(nèi)可以形象地看到鼓泡床底部床層有氣泡相和顆粒相，兩相之間是逐漸過(guò)度的。氣泡主要出現(xiàn)在床中心與壁面之間的區(qū)域內(nèi)，隨著氣泡的上升其形狀和大小都在不斷發(fā)生變化。從圖中可以看出，氣泡底部會(huì)形成卷吸顆粒的尾渦，這主要是因?yàn)轭w粒相對(duì)氣泡上升有阻力，尤其是氣泡上部的這種阻力較大，進(jìn)而導(dǎo)致氣泡在上升過(guò)程中上部速度小于底部速度，氣泡底部形成凹陷，凹陷處顆粒的運(yùn)動(dòng)速度基本與氣泡上升速度相當(dāng)，且大大高于周圍顆粒相的運(yùn)動(dòng)速度所致。

振動(dòng)流化床及配件