韦俊尤-气固两相流模拟拟研究_(0527最终版)

浙江工业大学硕士学位论文I上端沸腾进气口下端沸腾进气口送粉进气口气流出口粉气出口70mm20mm高度H第2章送粉器模型的建立与参数的选择2.1沸腾式送粉器基本原理及建模沸腾式送粉器的基本结构如图2-1所示，它通过沸腾进气使粉末在气流的作用下通过小孔进入输送管中，再由送粉气路将粉末加速并送到送粉喷嘴进行激光熔覆。沸腾气流分别从下端沸腾进气口和上端沸腾进气口同步送入送粉仓，以使粉末进入临界流化或流化状态。粉末仓下端有筛网以防止粉末落下而堵住下端沸腾进气口。另外，本文实验用的送粉器送粉管直径为2mm，连接送粉仓与送粉管的小孔直径为1mm。图2-1沸腾式送粉器结构原理图由于该送粉器并不具有轴对称性，无法简化为二维模型进行模拟，三维模型计算的要求较高，计算时间久，但其更能真实反映送粉器的送粉过程。因此本文运用Gambit软件进行三维建模，其尺寸则根据实验用的送粉器尺寸，以便模拟结果可得到实验的检验。划分网格后，如图2-2所示，针对不同的区域分块画上结构与非结构网格，并在重要区域进行网格加密，尤其是粉末从粉仓中通过只有1mm直径的小孔进入送粉管中，这些地方网格数量会影响最终结果的准确性。浙江工业大学硕士学位论文II本文网格质量(EquiSizeSkew)控制在0.7以内即可得到较好的收敛效果，网格数图2-2送粉器数值模拟网格模型大于15万。在下端沸腾进气口，上端沸腾进气口和送粉气流入口均设为速度入口，粉末送出口和上端的气流出口均为压力出口。2.2边界条件及其他参数的确定2.2.1曳力系数的计算根据文献资料，对多数流速低的工况，Syamlal-O’Brien，Gidaspow和Wen-yu等均出现曳力过大等现象。本文将引入应用工况与该类送粉器类似的曳力模型，并进行相应的修正，以使曳力模型适用于本文低流速的情况。根据本文研究的实际情况，需要输送的粉末粒径(90μm)属于A类颗粒粒径范围（30μm~100μm），用于粉末沸腾的气流流速为0.02m/s左右，镍基合金粉末密度远大于气体密度等特点，Mckeen曳力模型和Zimmermann提出针对Syamlal-O’Brien模型的修正所应用的工况与本文相似。考虑到Syamlal-O’Brien曳力模型适用的最小流动速度为0.25m/s，超出了本文模拟的情况。因此根据Zimmermann[49]提出的针对最小流化速度的修正模型，通过修改参数P和Q来修正最小流化速度(式1-10中)。并对临界流化速度低的浙江工业大学硕士学位论文IIIA类流化催化裂化颗粒进行仿真，其结果也得到了实验的验证。经过推到后得到P和Q的计算如下[50]：)Re06.0/()Re)Re06.01((28.114.4tsggtsggtsgpgdvP(2-1)其中22)26.18.43/452.28.4(ReArts(2-2)gdArgsgs3)((2-3)85.0log/)log(28.1PQ(2-4)根据实验的粉末颗粒参数及气流的速度等，vg为0.02m/s，其对应的沸腾气流量为2.6L/min，该气流量是送粉实验中常用沸腾气流量。经计算采用P和Q分别为0.254和9.72对Syamlal-O’Brien模型进行修正。由于流态化过程中颗粒相的团聚会导致曳力减小，因而由Mckeen[51]提出了在Gibilaro[52]模型的基础上引入了一个常数修正因子C的模型，C介于0.15到1之间，该曳力模型是对雷诺数的连续性函数。且Mckeen对A类颗粒的仿真结果与实验相符。其曳力表达式如下：1.817.3=0.336RegpggpppPpuuKCd(2-5)图2-3Mckeen等给出的参数C与等效颗粒直径的关系[41]浙江工业大学硕士学位论文IV其中，C为0.15到1之间的常数，u代表速度，带箭头为速度矢量，α为空隙率，d粉体颗粒直径,下标p和g分别代表粉末相和气相。对于A类颗粒直径与常数C的对应关系如图2-3，参数C可参考图2-3进行设置并逐步调整。结合Mckeen的研究结果和本实验所用激光熔覆合金粉末的特点，本文初步采用C为0.8进行仿真。并进行逐步调整以确定适用于此类送粉器模拟的合适数值模型。根据欧拉-欧拉模型，颗粒形状对送粉的影响主要也是通过曳力来反映，颗粒形状主要用球形度来表示，而本文常用激光熔覆粉末是由气雾化法制备的，该方法制备的粉末具有球形度好，表面光滑等特点。因此在曳力模型的计算中不加考虑粉末颗粒形状的影响。2.2.2其他参数的计算与设定由于输送实验用的粉末是200-140目的镍基合金粉末，其对应的筛孔直径范围是74-109μm，粒径范围并不大，因而根据颗粒直径分段的平均直径计算方法[53]，平均粒径1212()ddd，其中d1，d2分别为筛孔尺寸的最大和最小值。带入计算可得所用粉末等效颗粒直径为90μm。0.200.250.300.350.401.01.21.41.61.82.02.2沸腾进气口2流量(L/min)沸腾进气口1流量(L/min)实验值线性拟合图2-4送粉器沸腾流量在上下进气口的分配入口边界条件的设定如下，在进行实验测试时，只调整沸腾回路的气流量，浙江工业大学硕士学位论文V而下端沸腾进气口和上端沸腾进气口之间的流量分配则需要通过实验进行测定，分别对各个气流入口进行流量测量，其结果如图2-4所示，可见，两个入口的气流有很好的线性关系，经过软件拟合，其关系可用Y=5.6X表示,此处Y为上端沸腾进气口的气流量，X为下端沸腾进气口的流量。从而在数值模拟中可利用此关系分别对上下气流入口进行流量设定。对各个气流入口的流量换算成流速，作为入口边界条件。对于流化床的临界流化速度的计算方法，目前已提出了很多种公式，但很多情况下只能作为参考，它们往往都有较大的误差。因此，本文选用较常用的临界流化速度计算方法来估算送粉器内粉末的临界流化速度，雷诺数与临界流化速度的计算公式如下[52]：2,Re/33.70.040833.7pmfpmfgduAr(2-6)其中Ar为阿基米德数，计算公式如下：32()/rpgsgAdg(2-7)该方法可适用于雷诺数从0.001到4000的层流、过渡流和湍流。本文流化气体为空气，密度为1.225kg/m3，粘度μ为1.8e-5kg/(m·s)。粉末相颗粒直径为90μm，密度为8830kg/m3，将这些参数带入公式2-6，可得沸腾式送粉器的粉末临界流化速度为0.023m/s。针对本文的送粉气体流量，送粉器内部气流速度达到或者大于临界流化速度，粉末达到流化状态。另外，临界流化速度还可以作为后续分析送粉效果的参考。该送粉器的粉末随着气流送出而不断减少，且送粉器内粉末的分布也时刻在改变，因此本文的模拟属于非定常流。这大大的加重了该送粉器模拟的计算量。对于流体介质为气体，流速远低于音速时，将不考虑气体的可压缩性，将用不可压缩流模型进行计算。且对于气固两相流，虽然拉格朗日模型能更好的跟踪每个颗粒的流动状况，但由于其需要的计算量大，以目前的计算机水平，能跟踪的颗粒数量约为106，这难以模拟颗粒数量较大的粉末流动过程（如流化床）[54]。结合多相流的理论，本文选择欧拉-欧拉双流体模型进行仿真。并对比Fluent软件提供的三类双流体模型的仿真方法，利用Eulerian模型将的到更加准确的结果。根据实验所用粉末及其颗粒流体力学理论，对用于封闭Eulerian模型控制方程的颗粒相及气相参数选择如表2-1所示。浙江工业大学硕士学位论文VI表2-1主要参数的设置参数参数值参数参数值粉末密度(kg/m3)8830时间步长(s)0.0003粉末颗粒直径(μm)90AngleofInternalFriction30气体相密度(kg/m3)1.225GranularViscosity(kg/m·s)Syamlal-O’Brien气相粘度(kg/m·s)1.79e-5FrictionalViscosity(kg/m·s)Jonhson-et-al粉末最大体积分数0.63FrictionalPressure(Pa)Based-kdgf初始粉末体积分数0.6SolidPressure(Pa)Lun-et-al初始粉末层高度(mm)80GranularBulkViscosity(kg/m·s)Lun-et-al2.3本章小结本章根据实验所用送粉器进行模型建立，并针对送粉气固两相流模拟所需修正的参数——曳力模型进行计算。并对粉末颗粒直径、临界流化速度及其它颗粒动力学参数的设置进行分析。结合实验给出送粉器气流边界条件的参数，为送粉器的数值模拟及后续分析做准备。浙江工业大学硕士学位论文7第3章送粉器的气固两相流模拟及曳力模型的确定在利用数值模拟的方法对沸腾式送粉器的粉末与气流流场特性进行分析时，首先需要选择合适的数值模型，以保证模拟结果的正确性。因此，本章通过选择气固两相流中最关键的参数——曳力模型(DragLawModel)对镍基合金粉末输送进行模拟，对比不同模型对送粉结果的影响。初步确定较适用于该类送粉工况的曳力模型，再针对不同流量下的粉末输送进行模拟，最后通过实验进行对比验证，从而确认适用于该类送粉器输送工况的数值模型。3.2不同沸腾气流量下的模拟结果及实验对比运用Mckeen模型，并取C为0.77时，分别对沸腾气路总气流量选择1.9L/min、2.36L/min、2.6L/min、2.83L/min、3.1L/min，送粉气路流量固定为2.4L/min进行数值送粉模拟。以实验测定的下端沸腾进气口与上端沸腾进气口之间的气流分配关系，并结合各个送粉进气口的直径，通过计算将气体的体积流量转化成气流速度，将不同气流下对应速度对边界条件进行设置，并进行仿真。可得到如图3-6所示的送粉流量随时间变化，其中横坐标均为粉末输送的时间，纵坐标为粉末流量。可见在所有沸腾气流量下，送粉量在开始后2s之内均出现流量较大的峰值，但约2s之后均达到较稳定的状态，因此分别求2s到11s的平均送粉流量，其结果如表3-2所示。表3-2不同曳力模型下的粉末平均流量沸腾气流量(L)1.92.362.62.833.1粉末流量(g/min)2.38.610.913.422.0浙江工业大学硕士学位论文80123456789101112131415-270-240-210-180-150-120-90-60-3001.9L012345678910111213-300-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.36L0123456789101112-300-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.6L0123456789101112131415-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.83L01234567891011121314151617181920-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1003.1L图3-6不同沸腾气流量下的粉末流量随时间的变化针对不同沸腾气流下送粉器的送粉情况，通过如图3-7所示的送粉器送粉实验进行验证，在2.0L/min到3.0L/min之间，以0.2为步长分别设定沸腾气路送粉器的流量。以1分钟所收集的粉末量为一次实验数据，每组流量测量三次并取平均值，得到送粉流量随沸腾气流量变化如图3-8，实验结果表明送粉率随沸腾气流增大而增大，且呈线性增加。浙江工业大学硕士学位论文9a.送粉器外观b.送粉器内部结构图3-7沸腾式送粉器实物图对数值模拟和实验所得的送粉结果进行了对比，如图3-8，模拟的平均输送流量与实验值基本相符，尤其是在沸腾气流在2.2L/min到2.8L/min之间时。可见Mckeen模型最适用于该类送粉器的模拟，但在气流量较大时，粉末流量高于实验所得的线性关系。因而需要进一步修正。粉末开始输送后会有较大的波动，而随着时间推移，约2s之后，粉末流量会相对稳定，但仍会在一定的平均值附近有所波动，而且随着送气流量的增大，粉末流量的波动性也较大。1.81.