气固流化床内两相流动的数值模拟

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气固流化床被广泛应用于化工、能源、环境等工业中。利用计算流体力学对二维和三维气固流化床中气体和颗粒流体力学行为进行模拟研究,可以得到流化床内气固两相流动的基本特征,有利于工业流化床反应器的设计和放大。基于商业软件FLUENT,对B类颗粒在流化床内流动过程进行数值模拟研究,得到的流化床内浓度和速度场等分布,分析结果表明数值模拟值与实验结果相一致。  采用非稳态气固两相流双流体模型模拟流化床内气固流动过程,运用颗粒动理学理论进行模型的封闭。分别应用Syamlal&O’Brien和Gidaspow曳力模型对动量交换系数进行求解。利用有限体积法对方程进行离散。模拟结果表明,先在床层底部形成小气泡,气泡通过床层时伴随着聚并和长大,形成不同尺寸的气泡,使得床层膨胀,最终在床层表面发生气泡破裂。  分析了不同计算条件:(1)滑移和非滑移边界条件;(2)壁面-颗粒碰撞系数;(3)气体-颗粒曳力模型;(4)二维和三维流化床结构和(5)不同表观速度,对床内气体换热颗粒流动行为的影响进行数值模拟与分析。数值模拟结果与实验值进行了对比,结果表明两者基本吻合。同时也分析了不同计算条件下的床层压降、颗粒速度和颗粒浓度等分布规律。模拟得到的床层压降与实验值相吻合。另外,为了预测实际工业过程中三维流化床内的真实流动行为,进行了三维流化床模拟,得到了三维流化床内的流动特性,结果表明三维流化床模拟结果与二维流化床的变化趋势是一致的,但是定量上存在一定的差异。由于受到计算时间的限制,三维流化床模拟局限于较短的时间周期内。在未来的工作中,还需要进一步地进行三维气固流化床模拟与实验的相关研究,以更好地认知其流化床内复杂的气固两相流动结构和机理。
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