选煤流化床内气固流动的数值建模.docx

选煤流化床内气固流动的数值建模摘要：本文主要对选煤化床内气固流动的数值建模进行分析为了对选煤流化 床内低速浓相气固流动进行数值建模，采用Euler-Euler模型对选煤 流化床内的气固流动进行了数值模拟考虑了一系列子模型对流动结构的影响， 通过分析各工况下的流动特征并将模拟结果与实验进行对比，最终确定了一套可 应用于选煤流化床内浓相低速鼓泡流动行为的数值模型结果表明，Syaml dl气固曳力模型对选煤流化床流动特征的预测更合理，偏微分颗粒温度模型 （PDE）能更准确地描述颗粒脉动行为在浓相气固选煤流化床中，应该选择 Dispersed k—s模型来考虑气相的湍流行为，并采用部分滑移条件 分析颗粒-壁面间的相互作用关键词：选煤流化床；数值建模；Euler—Euler模型引言干法选煤方法在过去几十年得到了广泛的研究和发展，尤其在缺水干旱地区 及湿法选煤成本较高的地域近年来，流化床技术被引入了干法选煤领域并形成 了选煤流化床技术在操作上，选煤流化床内呈现低速鼓泡流态化状态，床层密 度很高，是典型的微泡浓相流化床选煤流化床床层密度的均一稳定性是煤炭分 选的必要条件，入选原煤将按照其自身的颗粒特性（密度、粒度及形状等）分离 成浮物和沉物。

选煤流化床技术在节水及大型化上均有很大优势，因此可作为某 些地区湿法技术的替代技术目前，选煤流化床的研究主要集中于实验方向及工 业装置的开发试验方面，通过数值手段来研究选煤流化床内的流动过程尚没有完 整报道因此，通过建立合适的数值模型，应用数值模拟手段研究选煤流化床内 复杂气固多相流动，对预测分层现象、优化分选实验、揭示分选机制具有重要意 义目前，常用的数值方法主要分为两类：Euler—Euler及Eule r— Lagrange方法°Euler方法鉴于其在计算速度上的优势及对 浓相流动模拟的可靠性，已成为流态化模拟研究的主要方法虽然世界各国学者 已在流态化数值模拟上作了大量的基础研究，但目前仍没有一套可应用于所有流 态的数值模型，且现有模型是否同样适用于选煤流化床也未可知因此，本文主 要研究了 Euler方法及颗粒动力学理论中不同子模型对选煤流化床内气固流 动过程的模拟结果，并与实验结果进行比较，得到了一套适用于选煤流化床浓相 气固流动的Euler模型1 数值模型及模拟方法1.1 气固流动模型本文模拟采用Euler—Euler方法，颗粒相的数值封闭采用颗粒动 力学理论来描述该理论引入体积份额的概念来描述同网格内各相的比例，并对 各相的质量、动量及能量方程进行单独计算。

该理论假设颗粒湍动速度为各向同 性，采用颗粒温度的概念描述颗粒湍动特性所用到的守恒方程和主要数学模型 包括：1）守恒方程和本构方程以上分别为连续方程，气、固相动量守恒方程和颗粒相脉动能守恒方程式 中: a q为气相（g）或固相（s）体积份额，p q为气相（g）或固相（s）密 度，uq为气相（g）或固相（s）速度，p和ps分别为气相和固相压力，B 为气固相间曳力系数8 s为颗粒温度，Tg、t s分别为气相、颗粒相应力张量， ks为颗粒相间的热传导系数，ys为颗粒相的脉动能耗散率，Rs为气体与颗粒 间的脉动能交换项，Dgs为单位体积能量耗散率，1为单位张量对这些参数 的模化基于颗粒动力学理论，详细可参见文本文对比应用两类不同的颗粒温度 模型，分别为偏微分方程模型（par tidl differen tidl equ dti on，PDE ）和代数物性模型（algebraic phase p roper ty，APP）模型颗粒相间碰撞恢复系数的选取影响颗粒导热系 数、粘性系数及颗粒温度等参数按照所采用的推荐值，本文取值为0 .9 9 气固曳力模型决定了计算中颗粒的主要流化特性，因此本文对比考虑了两类曳力 模型，分别为Symalal-0 Biren模型和Gidaspow模型， 两模型的数学表达分别为：ug为气相粘度。

1.2初始条件和边界条件模拟对象见图1所示，表2给出了模型参数和模拟条件气相与壁面的相互 作用采用无滑移边界条件；对于颗粒相，壁面边界条件为：式中：gO为颗粒径向分布函数，amaxs为最大颗粒体积份额本文同时 考虑了无滑移条件和部分滑移条件所产生的影响反射系数 选取为0.001 当应用PDE颗粒温度模型时，颗粒一壁面碰撞恢复系数ew设置为0.9图1模拟所用的2维选煤流化床模型表2模型参数、物性参数及模拟设定参数图3各工况中颗粒体积分数的瞬态分布图5 各工况中时均床层密度沿床高的分布图6 工况2 — 4中气泡数目（N）、最大气泡面积（Amax）和平均气 泡面积（Aave）随时间的变化图7 工况2 — 4中时均颗粒速度矢量分布图9工况4中时均颗粒温度分布1.3模化方案模拟中最终确定了4组主要参数来完成数值建模过程，分别为气固曳力模型、 气相湍流模型、颗粒温度模型以及颗粒壁面滑移模型经过大量的试算，将整个 模化过程为分3步，如图2所示鉴于气固曳力模型在浓相流动模化中的决定性 作用，在每一步中均考虑了其影响在第一步中，采用颗粒壁面无滑移模型以及 比较简单的APP颗粒温度模型，工况1和工况2分别采用了 Mix ture k — s湍流模型和Dispersed k — s湍流模型，对比并揭示两湍流 模型的不同效果。

在此基础上，第二步中选择恰当的湍流模型，并将颗粒壁面条 件改为部分滑移条件，以验证颗粒壁面条件的影响在第三步中，将颗粒温度模 型改为PDE模型，并设置合适的反射系数和弹性碰撞系数模拟在F luen t 6.3平台上运行，所涉及的模型已均耦合进来模拟中应用非稳态求解， 并设置相应的时间步长在5x10 — 4〜1 x10 —3 s之间每个时间步长 内采用固定的4 0次迭代，所有工况的模拟时间为6 0s在最初5 s内，求解 采用一阶迎风的差分格式，之后改为QUICK格式，模拟进行到10s时流动 进入稳定阶段并开始进行时均计算，直至模拟结束本文所用的几何模型和模拟 条件与文中的实验对象和实验条件一致，因此将所得到的模拟结果与文中的实验 结果进行对比，以验证模型的准确性2 结果及讨论2.1 湍流模型的影响为各工况中颗粒相体积分数的瞬时分布工况中采用Mix ture k—s 湍流模型得到的结果明显偏离了实际的流动状态，气泡形态模糊，两相界面不明 显，气泡在壁面附着在工况2中采用了Dispersed k—s湍流模型 后，形成的气泡界面明显，且壁面处颗粒体积分数较高，流动结构与实验观察结 果接近图4所示为各工况下床层中部位置（高度H=0.2m）时均床层密度 沿横向的分布。

可以看出，实验所得到的床层密度基本均匀分布，而模拟结果呈 现不同变化工况2中，床层密度在中部及壁面附近较高，而在此两区域之间的 部分较低，这种分布特点与实验观察相一致，而工况1中所预测的趋势与此相反 图5所示为时均床层密度沿床高度的分布情况实验结果显示床层密度沿着床高 有略有减小，本研究在工况2中成功预测出了这一趋势2.2 颗粒壁面滑移条件的影响 与工况2相比，工况3中颗粒壁面滑移条件采用部分滑移模型后，整体流动结构变化不大从图4和5中可以看出，在该条件下，Syamldl曳力模型 得到的颗粒壁面堆积效应有所减弱；而Gidaspow模型的壁面堆积效应增 加，在壁面处得到了与Syamlal模型相类似的分布情况整体来看，Gi daspow模型仍然给出了较低的床层密度分布从图6中可以看出，壁面滑 移模型对气泡行为产生了明显影响其中，Gidaspow曳力条件下所预测 的气泡数目明显减少，最大气泡面积有所减小，而平均气泡面积增大；Syam lal曳力条件下气泡数大致与工况2中的相当，而最大气泡面积与平均气泡面 积均有所减小2.3 颗粒温度模型的影响在工况4中，颗粒动力学中的颗粒温度采用了PDE模型描述。

从图3中可 以看出，采用PDE模型后，Syamlal曳力模型所预测的气泡相界面更为 明显，颗粒相聚集紧密使得气泡内的颗粒明显减少，气泡形态更直观可辨而G idaspow模型仍然得到了与前面工况相似的大气泡形态这说明Syam lal模型对颗粒温度模型的选择更为敏感从图6中可以看出，工况4中Sy amlal模型预测出更大的气泡数目，并且在不同时刻气泡数目保持相对稳定, 而最大气泡面积与平均气泡面积均没有明显变化°Gi—daspow模型算出 的气泡数目有所减小，平均气泡面积明显增加从图7和8中可以看出，采用PDE模型后，两曳力模型条件下得到了类似的颗粒速度矢量分布，两明显旋涡 呈现于床层底部，但Gidapsow旋涡要强得多，使得颗粒的横向速度分布 范围明显要大颗粒纵向速度分布的中部峰值效应消失，意味着床内颗粒流动更 为均匀，壁面处颗粒的下流现象更为集中在PDE模型中，颗粒一壁面碰撞 系数e w用来表征颗粒与壁面之间的非弹性碰撞造成的能量耗散效应本文在 预模拟过程中同时考虑了 e w从0.2到0.9不同值对流动的影响，结果发 现e w对壁面颗粒分布及整体流动影响不大，但仍可以看出，ew越小，壁面 颗粒体积分数越低，当本文选取e w =0.9以后，得到了如图4和5中工况 4所示的床层密度分布情况。

该条件下壁面处颗粒体积分数达到最大值，壁面附 近的“峰值”效应消失，Syamlal模型中床层中部的颗粒分布更为均匀床 层密度的横向分布明显受到了旋涡流的影响，旋涡中心位置颗粒体积分数较低， 因此得到的时均床层密度明显出现了两个低谷区，Gidapsow模型中旋涡 强烈，因此该现象更明显（见图4），并使颗粒沿床高的密度分布呈现了较大的 误差（见图5）图9所示的45°投影视图为选择PDE模型后床内时均颗粒温 度的分布颗粒运动越强烈、湍动效应越强的地方颗粒温度也越高，比如床层底 部气体入口处、床层表面气泡破裂处以及顶部空床区整体而言，Syamla1模型下颗粒温度分布较Gidaspow模型小许多，因此其流动更为平稳和 均匀，且在床层底部颗粒主要流动区内，Syamlal模型颗粒温度分布比较 均匀，而Gidapow两个强旋涡区呈现了明显的较高颗粒温度分布结语本文基于颗粒动力学理论，采用Euler-Euler模型，对于选煤流 化床进行了数值建模，模拟过程中考虑了具有典型影响的几组子模型研究结果 表明：1）气固曳力模型决定了选煤流化床内浓相流动的气固相间作用针对本 文模拟对象，Syamlal模型比Gidaspow模型给出了更好的结果， 得到的气泡较小且分布均匀，床层密度的分布与实验更接近。

2）采用Disp ersed k-£湍流模型充分考虑了颗粒对气相湍流的耗散影响，能够准确 预测出选煤流化床中的浓相气固流动结构中的气相湍流特征3）颗粒壁面滑移 模型对选煤流化床内的流动结构的计算结果有明显影响，采用部分滑移条件能够 得到更好的壁面颗粒体积分数及速度分布4）浓相流动中，颗粒湍动能扩散方 程中的对流和耗散项不可忽略，采用PDE颗粒温度模型能成功地预测出气泡界 面以及床层流动的均一性行为，得到了更稳定真实的流动状态参考文献：[1]唐利刚•宽粒级加重质流化床的数值模拟及分选特性[D] •徐州：中国 矿业大学，2010.。