《韦俊尤-气固两相流模拟拟研究_(0527最终版)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《韦俊尤-气固两相流模拟拟研究_(0527最终版)（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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浙江工业大学硕士学位论文II准确性。本文网格质量(EquiSize Skew) 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
3、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-OBrien，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(90m)属于 A 类颗粒粒径范围（30m100m） ，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 Zimme
4、rmann 提出针对Syamlal- OBrien 模型的修正所应用的工况与本文相似。考虑到 Syamlal-OBrien 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 Zimmermann49提出的针对最小流化速度的修正模型，浙江工业大学硕士学位论文III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A 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：(2-1)Re06./()Re06.1( 28.114. tsggtsgtpgdv其中(2-2)22)6.18.43/5
5、8.4(eArts(2-3)gdArsgs3)(2-4)85.0lo/)l(28.1PQ根据实验的粉末颗粒参数及气流的速度等，v g 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-OBrien 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 Mckeen51提出了在 Gibilaro52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。
6、其曳力表达式如下：浙江工业大学硕士学位论文IV(2-5)1.817.3=06Regpggp pPuKCdv图 2-3 Mckeen 等给出的参数 C 与等效颗粒直径的关系 41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， 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
7、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 74-109m，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浙江工业大学硕士学位论文V53，平均粒径 ，其中 d1，d 2 分别为筛孔尺寸的最大和最小值。带入12()d计算可得所用粉末等效颗粒直径为 90m。0.20.250.30.350.41.01.21.41
8、.61.82.02.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，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
9、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：(2-6)2,Re/3.70.483.7pmfpfgduAr其中 Ar 为阿基米德数，计算公式如下：(2-7)32()/rpgsgA浙江工业大学硕士学位论文VI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 为 1.8e-5kg/(m s)。粉末相颗粒直径为90m，密度为 8
10、830 kg/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
11、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。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/m 3) 8830 时间步长(s) 0.0003粉末颗粒直径(m) 90 Angle of Internal Friction 30气体相密度(kg/m 3) 1.225 Granula
12、r Viscosity(kg/ms) Syamlal-OBrien气相粘度(kg/ms) 1.79e-5 Frictional Viscosity(kg/ms) Jonhson-et-al粉末最大体积分数 0.63 Frictional Pressure(Pa) Based-kdgf初始粉末体积分数 0.6 Solid Pressure(Pa) Lun-et-al初始粉末层高度(mm)80Granular Bulk Viscosity(kg/ms)Lun-et-al浙江工业大学硕士学位论文VII2.3 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
13、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8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(Drag Law Model)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
14、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、2.36 L/min、2.6 L/min、2.83 L/min、3.1 L/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
15、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) 1.9 2.36 2.6 2.83 3.1粉末流量(g/min) 2.3 8.6 10.9 13.4 22.0浙江工业大学硕士学位论文9012345678910112131415-270-240-210-180-150-120-90-60-3001.9 L01234567891011213-3-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.36 L01
16、2345678910112-30-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.6 L012345678910112131415-270-240-210-180-150-120-90-60-3002.83 L0123456789101121314151617181920-1-90-80-70-60-50-40-30-20-1003.1 L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。n
