基于EMMS的循环流化床三维全循环CFD模拟

  计算机与应用化学ppliedChemistryVo13基于EMMS的循环流化床三维全循环CFD模拟，王维，黄卫星1．四川I大学化学工程学院，四川，成都，610065；2．中国科学院过程工程研，北京，100190)摘要：对于循环流化床内气固两相流动，三维全循环计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)模拟是最直观可靠拟方式。然而，受计算资源和模型的限制，目前的模拟工作大多对构体进行简化，如仅考虑提升管段，或采用二维长方形代三维构体，或对实际装置几何尺寸进行成比例缩小等等。对几何结构的简化，忽略了出入因素对流动行为响，因而计算结果不能准确反映真。采用基于结构的多流体模型(theStructure．dependentmulti—FluidModel，SFM)耦合能量最小多尺度模型(theEnergy-MinimizationMulti—Scalemodel，EMMS)修正曳力，完全依据实验参数建立构体和设边界条件，对中试规模循环流化床进行三维全循环动态模拟计算根据结果得出，三维全循环模拟不仅能定性预测快速流态中心稀的非均匀分布，定量对比颗粒循环通量、浓度和速度信息与实验值也吻合较好。由于三维全循环模拟不存在几何结构简化，能直接表征真实工况和流场，很适合于结构较为复杂的大尺寸工业装置模拟。关键词：循环流化床；介尺度；三维全循环CFD模拟；EMMS；SFM中图分类号：T0021．1文献标识码：A文章编号：1001．4160(2013)03—223—22819／corn(CirculatingFluidizedBed。CFB)由于其、颗粒适用目前尚没有成熟计放大，导致反应器的设计放大周期长，难度大，充分了解其中的气固流动特性对循环流化床的工业应用具备极其重大意义。另外，单纯对其进行实验研究存在影响因素多、成本高等弊端，因此高精度动态数值模拟已成为CFB点【3J。对于循环流化床的模拟，完全依据装置真实几何构形进行三维全尺寸全回路模拟是最直观最可靠的模拟方进行简化变形。Benyahia口段获得与实验相近的气固混合情况并避免单边效应，将实际单侧气固进出口设置为双侧进出口，底部离散布置进气区域以模拟孔板进气。虽然模拟得到的通量和压力分布结果较理想，但不能准确预测颗粒边壁处的浓度分布。Chen等[6l通过计算粒子流体力学对循环流化床提升管段分别进行了二维和三维模拟，研究根据结果得出二维模拟在类颗粒和高通量工况下会高估曳力。Nguyen171和Seo[sl等使用Fluent对中试规模的双重循环流化床进行二维全回路模拟，所得颗粒循环通量与实验值差别不大，但构体的二维简化导致轴向颗粒浓度与实验数据不符，且旋风分离器中观测不到螺旋流动，颗粒在旋风和下降管中的停留时间也被缩短。现有的模拟大多为二维提升管模拟，经过简化后的几何结构不能准确表口、提升管、返料管等局部结构对流动的影响很大。另外，循环流化床的运行是包括返料机构、旋风分离器下降管等每个部分综合调控的复杂过程，单独模拟某个部分时很难给定相应的边界条件。所以，要实现真正意义上的虚拟仿真，对其进行整合模拟是必然。为实现全尺度全回路模拟，物理模型上一般会用欧拉模型，相较于拉格朗日方法，可以在某些特定的程度上节省计算量。但传统的基于平均化处理的欧拉模型，由于没考虑介尺度结构的影响，即使使用与颗粒大小在同一量级的网格，也不能准确描述流化床中多尺度非均匀分布的现象。Wang总结了基于EMMS模型的多尺度CFD模拟，强调如正确考虑介尺度结构这一关键因素就能够在一个较宽的网格尺寸内准确地捕捉气固两相流中非均匀流动特征。Benyahia1151运用过滤双流体模型和EMMS简化模型种亚网格模型对PSRI(ParticulateSolidResearchInc．)装置进行模拟，研究之后发现与均匀曳力模型相比，在粗网格下考虑介尺度结构的模拟结果，与实验结果更为接近另外，计算机硬件和并行技术的发展带来的运算能力的提升，为利用亚网格模型对工业装置开展全尺寸全收稿日期：2013．01—11；修回日期：2013—03．16基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2012CB215003)；国家自然科学基金资助项H(21106158；中国科学院战略先导科技专项(xDA07O8o4O5)作者简介：霍蒙(1988—，，男，山东人，硕士研究生，E-mail：．ac．crl联系人：**(1982i)，男，辽宁人，博士，助理研究员，E—mail：．ac．cn224计算机与应用化学回路模拟创造了条件。Zhang等[16-17】率先使用EMMS型对大型循环流化床开展系统的三维全循环CFD模拟工作，在建模时仅做极少简化，通过对比实验结果论证了对循环流化床进行整体模拟和开展虚拟实验的可行性随后，Wang等I18J对高10．41XI的高密度循环流化床开展三维全循环模拟，以验证基于EMMS修正所得曳力模型是否适用于类颗粒，捕捉到了与实验类似的流动现象。Lu对阿尔斯通工业锅炉进行三维全回路建模，模拟种粒径在流场中的运动，所得结果与实验基本一致。目前为限于计算资源工作仍不多循环模拟的准确，本文应用基于结构的多流体模型，对中试规模的具有特殊结CFD模拟在实际工程领域的应用提供基础实验装置本文采用的实验装置为ETH．IPE气固两相流实验系统，如图所示。该系统原建于瑞士联邦理工学院过程工程研国科学院过程工程8．51TI，重建后为10．7rn，内径为0．4风机提供，表观最大可达13iTls～，分别通过沿周向均布于提升管底部和0．51TI个方形进气孔进入。物料初始时堆积于装置底部，在一二次风的作用下沿提升管向上运动，经旋风分离器收集返回下降管，少量逸出颗粒则由布袋过滤，整个装置的局部压力、固相浓度和轴向速度信息分由压力探头，经数据采集系统采集，储存于ETH．IPE数据库中。循环流化床颗粒循环通量FBsystem[20]ETH—IPE循环流化床装置示意图网格由于数据库中基于原装置的实验数据充分，本研究、旋风分离器以及形返料管等部分进行全尺寸建模。不同于Zhang6I之前工作中将多个细小二次风进气管简化为个等效入口，本模拟中一二次风进气管均采用实际尺寸和结构。如图所示，进气管倾角为15。，内径为28mm。一次风进气管为16，40根二次风进气管则分两层交错排布。提升管中真实气体流量受返回下降管的气体的流量～二次风气存在一定差别速为基准与实验对比，三维全循环模拟则可直接由工况数据给出准确边界条件来模拟实验工况。旋风分离器口处夹带出去的颗粒由锥形管底部的返料口返回床内。复杂的部分 生成 四面 Lu【2等的研究表明，使用考虑介尺度结构的 EMMS 网格模拟 依然 能准确 预测 提升 动情况。为了减小计算量保证计算时间，此次对中试规模装 置的三维全循环模拟使用较粗网格。前期使用不相同尺寸 网格试算，以考察网格无关性，确定网格尺寸。Fig Schematic FBin3 oopsimulat ion． CFB三维全循环模拟网格示意图 3．2 基本方 求解计算基于结构 的多流体模型 Fluent中选用欧 拉模型，颗粒温度方程选择代数形式求解，采用颗粒动 ，并通过编写 UDF(User Defi ned Functions) 耦合 EMMS 模型修正曳力系数 。由提升管中流动情况得 非均匀因子 动控制方程 拟合公式详见文献[16】。Fluent 软件求解设置中，动量守恒方程和质量守恒 方程均采用一阶迎风离散方式，压力速度耦合采用 Phase Coupled SIMPLE 算法，时间步长定为 0．0005 S，通过监 视提升管和下降管不同高度处颗粒循环通量 以及计算残 20 13，30(3) 霍蒙．等：基于EMMS 的循环流化床三维全循环CFD模拟 225 差曲线来综合判断整个流场是不是达到稳定，当流场达到 初始边界 条件 分别为空气 玻璃珠，具体物 二次风量 由实验 O．04mS～。旋风分 离器顶部出口设置为压力 出口。对于气相，壁面采用无 设置为部分 滑移 ，镜面 系数 始时，玻璃珠自然堆积在流化床底部，堆积高度 由实际 存料量计算得出。相关工况设置见表 Physic al properti es set solids Param eter set Soliddensity Particle diameter