【往年优秀论文赏析】气固流化床CFD 模拟曳力模型的选用及验证

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摘要：本文以新奥集团煤基低碳能源国家重点实验室建设的冷态模拟装置为例，采用FLUENT 软件考察不同曳力模型对流动的影响，并通过冷态实验进行验证。结果表明，采用修正后的Syamlal-O，brien 曳力模型模拟的流场比Gidaspow 曳力模型与冷态模拟实验流场现象更类似。通过对比最小流化速度、床层压降和膨胀高度等因素，验证了曳力模型选择的合理性。

1. 前言

近年兴起的计算流体力学（CFD）在多相流模拟方面得到了广泛的应用。通过CFD 建立气化炉流体力学模型，可以模拟气化炉内颗粒的分布情况和气固两相流动规律，为研究颗粒和气流的运动对煤颗粒的燃烧和气化等化学反应的影响提供有效信息。

目前CFD 在多相流模拟应用最广泛的两个模型为欧拉—欧拉拟流体模型和欧拉—拉格朗日离散相模型。但受计算机资源的限制，对于大规模的气固多相流模拟大多采用欧拉—欧拉拟流体模型。该模型是在一定的浓度下，把离散的固体颗粒相看做假想的连续介质，即“拟流体”假设，这样颗粒就具备了与气相相似的动力学特性，也可以用相同形式的流体力学守恒方程加以描述。气固相间的相互作用通过气固曳力予以耦合，其大小决定了气流对固体颗粒的夹带和输送能力及其在床内的运动状态。

曳力是表征气固两相间相互作用和动量交换的重要参数，在双流体模型中气固曳力模型能否准确模拟颗粒的速度场决定了数值模拟在总体上的正确性。其它影响因素如湍流效应通过模型封闭方法予以考虑，通过文献报道与实验论证大部分采用k-ε 模型。目前应用较广泛的流体模拟软件有FLUENT、CFX 等。本文主要采用FLUENT软件，其中气固曳力模型包括：Syamlal-O，brien、Wen&Yu 和Gidaspow 三种模型。Syamlal-O，brien 模型是基于流化床或沉淀床颗粒的末端速度的测量，并使用体积分数和相对雷诺数关系式来确定的。当固体剪切应力根据Syamlal et al 定义时，这种模型适用于气固系统，本文所用的Syamlal-O，brien 模型是经过参数修正后的模型。Wen&Yu 气固曳力模型适用于稀

相的气固流化体系。Gidaspow 模型是Wen&Yu 模型和Ergun 方程的结合，适用于密相气固流化床，因此本文主要考察修正后的Syamlal-O，brien 和Gidaspow 这两种模型对流化状态的影响并通过冷态实验进行验证。

2. 实验设备及方法

2.1 实验设备

以新奥集团煤基低碳能源国家重点室建立的流态化冷态装置为模拟对象（如图1），建立几何模型，内径为286mm，高度为4000mm，模型采用锥形分布板。网格模型采用六面体网格进行划分，效果图如图2 所示。

图1 流态化冷态模拟装置

2.2 实验方法

本研究分为两个步骤进行。第一步为筛选曳力模型，对照流场流动模拟结果和冷态试验实际观察现象，初步确定模型类型；第二步采用所选模型进行CFD 计算和冷态实验验证，建立了三种不同操作条件下模拟及试验，从最小流化速度、床层压力、膨胀高度等方面进行对比验证，进一步考察模型选择的准确性。

为了体现对比标准的一致性，本文采用相同的模拟计算条件及模型参数，第一步操作按照表1 所述进行，第二步按照表2 所述进行。

表1 模型对比操作参数

3 结果与讨论

通过建立气固流化床几何模型和网格模型，按照表1 和表2 的模拟条件进行计算，获取计算过程的数据，利用CFD-Post 后处理得到以下实验结果并通过冷态模拟装置进行实验验证。

3.1 两种曳力模型的对比

本部分在其他模拟条件不变的基础上，对比两种曳力模型的流场状况，并结合冷态实验的流场流动，筛选出比较适合的曳力模型。

图3 为根据颗粒最小流化速度计算值修正后的Syamlal-O，brien 曳力模型模拟结果，图4 为Gidaspow 曳力模型模拟结果。选取两个数值实验0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0s 时刻的炉内固含率表示瞬时的流动状况。

由两图分析比较可知，曳力模型选择的不同模拟出的气泡大小与形状有差异。Gidaspow模型模拟出的气泡较Syamlal-O，brien 模型初始气泡更大些，中心射流明显但分布板区流场欠佳。修正后的Syamlal-O，brien 模型存在径向返混，在气泡的作用下形成内循环运动，同时分布板和中心射流均形成气泡，壁面阻力较小时气泡沿壁面上升。对照冷态装置实验结果，可判断修正后的Syamlal-O，brien 模型与实验现象更吻合，故选择修正后的Syamlal-O，brien 模型作为曵力模型进行后续的模拟计算。

3.2 CFD 模拟结果与冷态实验的对比

按照表2 所述的模拟条件，对三个算例进行计算，同时以相同物性的实验原料进行冷态实验，与模拟结果进行对比验证，主要结果如下：

3.2.1 最小流化速度对比

最小流化速度umf 是流化床操作的最低速度，是描述流化床十分重要的参数之一。确定最小流化速度的主要方法主要有理论计算和实验测定两种。

常用的最小流化速度计算公式为Wen-Yu&Ergun 公式如下：

通过引入雷诺临界准则和阿基米德准则，得到计算最小流化速度的简约公式，经过计算本实验条件下，颗粒的最小流化速度为0.1550m/s。

确定最小流化速度umf 最好方法是通过实验测定。降低流速u 使床层自流化床缓慢的恢复固定床，同时记下相应的气体速度u 和床层压降从而绘制出关系曲线，确定最小流化速度。

对于均匀颗粒组成的床层，当通过床层的气流速度较低时，床层处于固定床状态。随着气流速度的增加，床层压降成正比例增加，当气流速度达到一定值时，床层的压降达到最大值，该值略高于整个床层的静压，如果继续增加气流速度，固定床会突然“解锁”，床层压降降至床层的静压，此时对应的气流速度即为最小流化速度。当气流速度超过最小流化速度后，床层就会出现膨胀或鼓泡现象，进入流化床状态。进一步增加气流速度，在较宽的范围内，床层的压降几乎维持不变，这与流化床的准流体特性有关。上述从低气流速度上升到高气流速度的压降—流速特性实验称为“上行”实验法。由于初始装入床层时，属于人为的堆积，内部堆积状态差别较大，“上行”实验测得的压差往往有很大的差别，

实际最小流化速度往往采用从高气流速度向低气流速度进行，通常成其为“下行”实验法。本文经过多次实验验证，最后测得的物料的最小流化速度为0.1510m/s。

CFD 模拟计算时，也采用“下行”实验法，即通过观察床层压降的变化来确定最小流化速度，具体数值为0.1558m/s。

综合分析最小流化状态下的理论计算值、CFD 模拟值及实验值（如表3），模拟值与实验值相比，偏差仅为3.18%，一定程度上说明了模型选择的合理性。理论值和模拟值相差更小，这是因为模拟模型的建立是基于理论公式基础上编写的。

3.2.2 床层压降的对比

随着流化状态的改善，床内固含率出现不同的变化，直接影响床层压差的变化，因此在模拟和实验过程中，床层压降的监测是十分必要的手段。按照表2 实验条件的叙述，模拟过程中将三个算例依次进行，监测床层各点压力值。图5 为不同时间监测点压力变化曲线，其中1-6s 为初始流化状态下压力随时间变化值（参照Case1 条件），6-12s 为只有分布板进气条件下的压力随时间变化值（参照Case2 条件），12-20s 为分布板、中心管同时进气条件下的压力随时间变化值（参照Case3 条件）。经过计算，第一个算例为1 倍流化数初始流化状态；第二和第三算例为2.2 倍流化状态。

由图5 中的变化曲线可以看出，初始流化状态下，各点压力随时间变化不大，随着进炉气量的增加，床内返混增加，有气泡的产生、聚并、破碎发生，使得各点压力随时间波动，其中1.05m 处为床层未能达到处，所以压力为0 Pa。

将每个算例的不同高度的压力监测值作时间平均处理，将实验值和模拟值进行对比，如图6、图7、图8。

分析上述三个图可知，初始流化阶段床层压力变化平稳，实验值、模拟值及计算值比较接近；但随着操作气速的增加，流化状态逐渐稳定，气泡有规律的产生、聚并、破碎，床层压力波动较大，取时间平均值后实验值和模拟值在密相区比较接近，但在稀相和密相交接位置差值拉大，但床层总压差无变化。

3.2.3 床层膨胀高度的对比

流化床床料在受到气体曳力的条件下呈现流化状态，使床层出现膨胀现象。如果曳力模型选择合理，则膨胀高度更接近于实验膨胀高度，因此床层膨胀高度的对比也能从一定角度验证曳力模型选择的合理性。

图9 为不同模拟条件下床层膨胀高度的对比，表4 为模拟计算结果与实验结果膨胀高度的对比值。可以看出，初始静床高为0.81m，初始流化状态条件（Case1）下，床内有部分小气泡产生，床层高度基本没有变化，2.2 倍流化数条件下床内有大气泡产生，返混增加，相同流化数条件下，有中心射流比没有中心射流床层膨胀高度更高，主要体现为弹射高度的增加和中心气泡尺寸的增加，对比模拟计算膨胀高度和实验所测膨胀高度非常接近。

4 结论

本文以新奥集团煤基低碳能源国家重点实验室建设的冷态模拟装置为例，采用

FLUENT 软件对其进行了仿真模拟计算，考察了不同曳力模型选用对流化床流动状态的影响，并结合冷态实验进行验证，得到如下结论：

1、通过观察对比流化床流场状态发现，相同条件下，基于颗粒最小流化速度计算值修正后的Syamlal-O，brien 曳力模型模拟结果比Gidaspow 曳力模型模拟结果与冷态实验现象更吻合。

2、从颗粒最小流化速度角度分析，模拟值与实验值的偏差仅为3.18%，说明了曳力模型选择的合理性；从床层压力角度分析，初始流化阶段床层压力变化平稳，实验值、模拟值及计算值比较接近，随着操作气速的增加，流化状态逐渐稳定，气泡有规律的产生、聚并、破碎，床层压力波动较大，取时间平均值后实验值和模拟值在密相区比较接近，但在稀相和密相交接位置差值拉大，但床层总压差无变化；从床层膨胀高度分析，初始流化状态条件下，床内有部分小气泡产生，床层高度基本没有变化，2.2 倍流化数条件下床内有大气泡产生，返混增加，相同流化数条件下，有中心射流比没有中心射流床层膨胀高度更高，

主要体现为弹射高度的增加和中心气泡尺寸的增加，对比模拟计算膨胀高度和实验所测膨胀高度非常接近。

3、综合最小流化速度、床内压力和膨胀高度三个因素的对比结果可以看出，CFD 模拟计算结果与冷态实验结果近似，在一定误差范围内能够较好地模拟流化床内流动状态，说明修正后Syamlal-O，brien 曳力模型选择的合理性。

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来源：Ansys

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首次发布时间：2022-08-18