B类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟

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流化床颗粒的分类及其流化特性

流化床颗粒的分类及其流化特性：1973年Geldart根据多年对颗粒大小对流化床流化特性的研究，将颗粒的流化特性与颗粒平均径的关係分成A、B、C和D四大类，并将它们表绘在以dp为横坐标，以固体密度ρp与流化气体密度ρg的差（ρp –ρg）为纵坐标的图上（参见下面的Geldart颗粒分类图）。

以便供根据物理或反应过程的特性对流化特性的要求，以选用适合于自己工业化的特点的颗粒粒径及分布。

A类颗粒了（充气流化特性）：A类颗粒的特点是颗粒的平均尺寸较小，颗粒的密度较低。

由图可知，A类颗粒一般颗粒的平均粒径＜100微米，颗粒密度小于1400kg/m3，这类颗粒由于凝聚性较小，因此颗粒间充气性好，床层膨胀比（R≡床层流化时的高度Hf/床层静止时的高度H0）大，当床层气速达到起始流化速度时，床内还不会产生气泡（即床层的起始鼓泡速度大于起始流化速度），当气速进一步增加时，床内虽产生了气泡，但气泡较小，气泡的聚併、分裂速度也快。

所以，这类颗粒应该说是流化特性较好的一类颗粒。

（说明：起始流化速度umf即是流化床开始流化时的最小速度。

起始鼓泡速度umb即是流化床内出现笫一个气泡时的气体速度。

）在工业上使用时应尽可能选用这类颗粒。

在石化行业中的催化裂化装置上首先被使用，在这个行业中，催化剂中必须含有一定量的小颗粒，小于44微米被称为关键组分。

这类颗粒以后在丙烯氨氧化制丙烯腈等流化床中也得到了应用。

B类颗粒（沙状流化特性）：由图可知，B类颗粒一般颗粒的平均粒径＜40微米＜500微米，颗粒密度＜1400kg/m3＜4000kg/m3。

这类颗粒在气速达到或稍高于颗粒的起始流化速度时，床內就出现了气泡，床层膨胀比R较A类颗粒小，气泡聚併现象严重，气泡直径也迅速变大，且气泡随床高而变大，当气泡达到床层表面时破裂，从而影响了流化质量，影响了床层与传热面间的传热和相间的传质。

这类颗粒在工业上应用也较多，如醋酸乙烯、农药百菌清和苯酐行业都有使用。

流化床干燥设备中热风流态行为的数值模拟

流化床干燥设备中热风流态行为的数值模拟在流化床干燥设备中，热风的流态行为对于设备的干燥效率和运行稳定性起着关键作用。

为了更好地理解和优化这种热风的流态行为，数值模拟成为了一种有效的工具。

本文将着重讨论流化床干燥设备中热风流态行为的数值模拟方法和研究进展。

数值模拟是一种基于物理规律和数学模型的计算方法，它可以模拟和预测现实过程中的流体行为。

在流化床干燥设备中，数值模拟可以帮助我们了解和优化热风的流态行为，包括颗粒的运动、颗粒与热风之间的传热与传质过程等。

一种常用的数值模拟方法是计算流体力学（CFD），它基于Navier-Stokes方程和质量、能量守恒方程等基本方程，通过离散化和求解这些方程，可以得到流体的速度场、温度场、浓度场等信息。

在流化床干燥设备中，CFD的数值模拟可以模拟热风和颗粒之间的相互作用，精确地预测热风的流态行为。

在进行数值模拟前，我们首先需要对流化床干燥设备中的热风流态行为进行建模。

这包括确定流化床的几何形状和尺寸、热风的入口条件、颗粒的物性参数等。

根据实际情况和研究目的，我们可以选择不同的数学模型和边界条件。

一般来说，数值模拟中的计算网格需要细化在关注区域，以获得更准确的结果。

接下来，我们可以使用适用的CFD软件对热风流态行为进行数值模拟。

在模拟过程中，我们可以根据需要考虑不同的物理过程和作用力，如重力、浮力、湍流等。

通过求解Navier-Stokes方程和能量守恒方程，我们可以获得热风的速度场、温度场、浓度场等信息。

通过数值模拟，我们可以获得热风流态行为的详细信息，包括颗粒的运动轨迹、颗粒与热风之间的热传递和传质过程等。

这些信息可以用来优化流化床干燥设备的设计和操作参数，提高干燥效率和产品质量。

同时，数值模拟还可以帮助我们预测和解决一些潜在的问题，如颗粒聚结、堵塞等。

在实际应用中，数值模拟还可以结合实验和现场观测来验证和改进模型的准确性。

通过与实际情况的对比，我们可以评估数值模拟的可靠性，并对模型进行修正和改进。

多段分级转化流化床颗粒浓度的数值模拟

收稿日期：２０１２．１２ — １９；修订日期：２０１３－０１ — １３。作者简介：王海艳（１９８６一），女，硕士研究生；房倚天（１９６８一），男，研究员，通讯联系人。Ｅ — ｍａｉｌ：研＠ｓｘｉｃｃ．ａｃ．ｃｎ。
原有扩大段改为快速流化床，使颗粒处于快速流态化区以便改变气固接触状况，通过提高循环比增加固体浓度和细粉停留时间，并提高快速床反应温度，进而提高半焦细粉碳转化率。此外上部快速床还
可部分进煤，利用鼓泡流态化区高温煤气显热，进行煤的热解。如果热解、气化在同一流化床中进行，产生的挥发组分、轻烃类气体以及氢气会对半焦的气化产生抑制［２ ’ ３】。而ＭＦＢ将煤的气化和热解过程分开进行，实现煤的分级转化，从而提高了碳的转化率。因此，ＭＦＢ实际上为鼓泡流动和快速流动形态共存的可以实现煤的分级转化的一种新型粉煤气化技术。多种流态形式的耦合技术已有研究，梁万才等［４］研究了灰熔聚流化床和气流床技术耦合的两段式
基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（ＸＤＡ０７０５０１００）。
第２９卷第１期
王海艳等．多段分级转化流化床颗粒浓度的数值模拟
４３
体模型对ＭＦＢ内的气固流动特性进行模拟研究，主要分析在鼓泡和快速流动形态耦合作用下，ＭＦＢ内整体以及局部浓度变化规律，为ＭＦＢ的设计、操作以及优化提供理论指导。

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟李斌;张尚彬;张磊;滕昭钰;王佑天【摘要】将修正后的格子Boltzmann方法(LBM)与离散单元法(DEM)相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟.其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律.应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性.同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布.结果表明:颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2018(069)009【总页数】8页(P3843-3850)【关键词】两相流;格子Boltzmann方法;离散单元法;流固耦合;数值模拟【作者】李斌;张尚彬;张磊;滕昭钰;王佑天【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003【正文语种】中文【中图分类】TQ051.1鼓泡反应是气固流化床内的重要现象之一[1]，在生物制药、能源化工和工业生产等领域得到了广泛应用[2-6]。

由于气泡的形成会直接影响流化床内颗粒流动、传热传质以及动量交换，因此，从气泡形成至破灭这一气固流动过程进行深入研究对流化反应发生器的设计具有重要意义。

流化床颗粒的分类及其流化特性(6)

这类颗粒在工业上应用也较多，如醋酸乙烯、农药百菌清和苯酐行业都有使用。值得一提的是，这些行业并不是不想使用A类颗粒，而是不能用，如醋酸乙烯、农药百菌清流化床反应器，因其使用的催化剂是活性炭，活性炭不允许做得太细，太细了易被吹出，不易回收！而在苯酐行业由于催化剂是钒催化剂，可制成小颗粒，所以北二化首先在苯酐行业将B类颗粒改用A类颗粒，流化质量明显地得到改善！本人在对温州某化工厂的苯酐流化床的改造中，仅在其原用的B类颗粒中加入了10%的A类颗粒后，其产量就增加了25%以上！
在工业上使用时应尽可能选用这类颗粒。在石化行业中的催化裂化装置上首先被使用，在这个行业中，催化剂中必须含有一定量的小颗粒，小于44微米被称为关键组分。这类颗粒以后在丙烯氨氧化制丙烯腈等流化床中也得到了应用。
B类颗粒（沙状流化特性）：由图可知，B类颗粒一般颗粒的平均粒径＜40微米＜500微米，颗粒密度＜1400kg/m3＜4000kg/m3。这类颗粒在气速达到或稍高于颗粒的起始流化速度时，床內就出现了气泡，床层膨胀比R较A类颗粒小，气泡聚併现象严重，气泡直径也迅速变大，且气泡随床高而变大，当气泡达到床层表面时破裂，从而影响了流化质量，影响了床层与传热面间的传热和相间的传质。
流化床颗粒的分类及其流化特性：
1973年Geldart根据多年对颗粒大小对流化床流化特性的研究，将颗粒的流化特性与颗粒平均径的关係分成A、B、C和D四大类，并将它们表绘在以dp为横坐标，以固体密度ρp与流化气体密度ρg的差
（ρp – ρg）为纵坐标的图上（参见下面的Ge选用适合于自己工业化的特点的颗粒粒径及分布。
根据本人对颗粒粒径及分布的研究，认为A、B类颗粒流化特性的差别是非常明显的，如：
A类颗粒了（充气流化特性）：A类颗粒的特点是颗粒的平均尺寸较小，颗粒的密度较低。由图可知，A类颗粒一般颗粒的平均粒径＜100微米，颗粒密度小于1400kg/m3，这类颗粒由于凝聚性较小，因此颗粒间充气性好，床层膨胀比（R≡床层流化时的高度Hf/床层静止时的高度H0）大，当床层气速达到起始流化速度时，床内还不会产生气泡（即床层的起始鼓泡速度大于起始流化速度），当气速进一步增加时，床内虽产生了气泡，但气泡较小，气泡的聚併、分裂速度也快。所以，这类颗粒应该说是流化特性较好的一类颗粒。（说明：起始流化速度umf即是流化床开始流化时的最小速度。起始鼓泡速度umb即是流化床内出现笫一个气泡时的气体速度。）

鼓泡流化床流动特性的数值模拟

用流化床反应器作为炼铁设备对铁矿的成分要求较宽，以使用粒度小、布广的铁矿粉，可分且
ｐａｅ两相；泡的行为也很复杂，括气泡的生ｈｓ）气包成、大、并、碎和运动等情况．长聚破准确而又有效地描述并预测固相和气泡相的流动特性、立合建
１数学模型
ＧｉａｐｗＪ欧阳杰ｄｓｏ
、
、李静海等提出了一些
用于描述气一固流化床的模型，见的有双流体常
模型、颗粒轨道模型和ＬＡＤＭＣ模型，外还Ｇ＆Ｓ此有气体拟颗粒模型Ｊ小室模型、态模型和整、动
行了模拟，得到了鼓泡流化床的一种流动形式．计算结果与流态化原理以及文献结果的吻合性好．关键词：鼓泡流化床；流动特性；数值模拟；双流体模型
中图分类号：Ｔ５Ｆ５２文献标识码：Ａ文章编号：１７－６０２０）２０２－４６１６２（０７０－１６０
Ａｂｔａｔｈｏｃａａｔｒｔｆｇｓ—ｓｌｕｂｉｇｆｉｉｅｓｒｃ：Ｔｅｆｗｈｒｃｅｓｉｏａｌｉｃｏｉｂｂｌｕｄｚｄ—ｂｄＷｉｌｔｄｂｓｄｏｗｄｎｌｅａｓｓｍｕａｅａｅｎｔｏ—ｆｉｌｄｕ
ｌｉｉａｉｒｃｐｅｎｅｕｓｒｐｓｄｉｔｒｔｒｓｆｕｄｚｔｎｐｎｉｌｓａｄｒｓｔｅｏｅｎｌｅａｕｅ．ｏｉｌｉＫｅｒｓｂｂｌｇｆｉｉｅ・ｅ；ｆｗｃａａｔｒｔｓｕｒａｉｌａｉｎ；ｔｏｆｕｄｍｏｅｙｗｏｄ：ｕｂｉｕｄｚｄｂｄｌｈｒｃｅｓｉ；ｎｍｅｃｌｓｎｌｏｉｃｉｍｕｔｏｗ・ｉｄｌｌ

粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

关键词：颗粒旋转；粗糙颗粒动理学；气固两相流；流化床
ＤＯＩ１．９９ｊｉｓ．４８１１０．０５
中图分类号：Ｔ２Ｋ２９
文献标志码：Ａ
ｔｅｒｆａｅａｄｈｏｙｏｇｓｓｎｋｉｔｃｈｏｙｆｒｎｕｌｒｌｎｅｉｔｅｒｏｇａａｆｏｗｗｉｈｈｅｏｉｅａｉｏｅｒｔａｐｔｎｔｔｃｎｓｄｒｔｏｎｆｎｅｇｙｒｎｓｏｒａｄｄｓｉａｉｎｂｙｃｌｉｉｎｆｐａｔｃｅ．ｉｓｐｔｏｏｌｓｏｏｒｉｌｓＴｈｅｍｏｌｏｏｉｄｅｓｆｒｓｌｄｓｐｈａｅｓｒｓ，ｔｒａｌｎｄｃｌｓｏｌｅｅｇｓｔｅｓｈｅｍｌｆｕｘａｏｌｉｉｎａｎｒｙｄｓｉａｉｎｓｏａｔｃｅｅｅｐｅｅｅｉｇＣｈａｍａｓｏｅｏｉｙｄｓｒｂｕｔｏ．ｏｈｖｏｆｉｓｐｔｏｆｐｒｉｌｓｗｒｒｓｎｔｄｂｙｕｓｎｐｎＥｎｋｇｖｌｃｔｉｔｉｉｎｓＦｌｗｂｅａｉｒｏｇｓａｄｐａｔｃｅａｉｕａｅａ — ｏｉｓｔｏｐｈｓｌｗｏｄｌｉｂｂｌｌｄｉｅｄ．ｅｃｅａｎｒｉｌｓｗｓｓｍｌｔｄｂｙｇｓｓｌｄｗ — ａｅｆｏｍｅｎａｂｕｉｎｇｆｕｉｚｄｂｅＰｒｄｉｔｄｖｌｉｙｉｔｉｔｏａｆｕｃｕａｉｖｌｃｔｏｐａｔｃｅｗｅｅｎｇｅｍｅｗｉｈｅｅｉｅａｄｔｅｏｃｔｄｓｒｂｕｉｎｎｄｌｔｔｎｇｅｏｉｙｆｒｉｌｓｒｉａｒｅｎｔｔｘｐｒｍｎｔｌａａｍｅｓｒｄｂｙｕｕｅａｕｅＹｔａｌ（２０００）ｉｂｕｎａｂｂｌｎｆｕｄｉｅｂｅＴｈｄｓｒｂｕｔｏｎｉｇｌｉｚｄｄ．ｅｉｔｉｉｏｆｇｒｎａｔｍｐｅａｕｅ，ａｕｌｒｅｒｔｒｃｎｎｇｗｉｈｃｃｎｔａｉｅｄｅｏｂｉｉｒｗｉｈｔｒｄｃｉｎｂｙｋｉｔｃｔｅｒａｕｌｒｆｏｗ．Ｔｈｅｈａｇｉｔｏｎｅｒｔｏｎｔｎｄｔｅｓｍｌｔｈｅｐｅｉｔｏｎｅｉｈｏｙｏｆｇｒｎａｌａｅｆｃｆｔｎｇｎｔａｅｔｔｔｏｎｃｆｉｉｎｔｏｌｔａｉｇｅｒｆｐｒｉｌｓｗａｎａｙｅ．Ｓｍｕａｅｅｕｔｆｅｔｏａｅｉｌｒｓｉｕｉｏｅｆｃｅｎｆｕｃｕｔｎｎｅｇｙｏａｔｃｅｓａｌｚｄｉｌｔｄｒｓｌｓｓｗｅｈａｔａｌｗｃｎｃｎｔａｉｎｏｆａｔｃｅｔｅｆｕｃｕｔｎｋｎｅｉｅｒｙｏａｔｃｅｎｃｅｓｄｗｉｈｈｏｄｔｔａｏｏｅｒｔｏｐｒｉｌｓｈｌｔａｉｇｉｔｃｎｅｇｆｐｒｉｌｓｉｒａｅｔｉｒａｉａｅｔａｅｔｔｉｏｆｉｉｎｔｎｃｅｓｎｇｔｎｇｎｉｌｒｓｉｕｔｏｎｃｅｆｃｅ．Ｋｅｒｓ：ｐｒｉｌｏｔｔｏｙｗｏｄａｔｃｅｒａｉｎ；ｋｉｔｃｔｅｒｆｒｕｇｐｒｓ；ｇａ — ｏｉｗｏｐｈｓｌｗ；ｆｕｄｚｄｂｅｎｅｉｈｏｙｏｏｈｓｈｅｅｓｓｌｄｓｔ — ａｅｆｏｌｉｉｅｄ

流化床内颗粒流体两相流的CFD模拟

万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据第９期张锴等：流化床内颗粒流体两相流的ＣＦＤ模拟时难以获得颗粒的真实堆积率，因此研究者们需要假设最大颗粒堆积率，如洪若瑜等［４９’５６巧７１采用ｏ．５５，Ｃｈｅｎ等№１４３取ｏ．６０，Ｌｅｔｔｉｅｒｉ等［４５］选Ｏ．６２。

３．１液固体系在Ｏ．５ｍ（高）×０．１ｍ（宽）的二维流化床考察了液（ＩＤｌ＝１０００ｋｇ・ｍ一，产ｌ一１．ｏ×１０－３Ｐａ・ｓ）固（佛＝３０００ｋｇ・ｍ～，或一２．５×１０－３ｍ）体系内网格尺度、时间步长和收敛判据对床层固含率分布特性的影响。

结果表明：（１）从整体来看网格数目和时间步长对床层固含率分布的影响不大，但是从局部放大图可以发现，当网格数目（１０×５０和１５×７５）较少时，平衡时垂直方向上的固含率出现振荡，且１０×５０网格的振荡幅度大于１５×７５的网格，而网格数目（２０×１００和３０×１５０）较多时，床层固含率趋于均匀分布特征；（２）通过对０．０１、Ｏ．００５、０．００１、Ｏ．Ｏ００５ｓ和Ｏ．ｏ００１ｓ时间步长的模拟表明，ｏ．００１ｓ时间步长给出了更适宜的模拟结果；（３）收敛判据取１０一、１０－６和１０＿。

，所得模拟结果几乎完全一致，详细结果见文献［５８］。

３．２气固体系首先采用摄像法考察了图２所示中心孔口为Ｏ．０１０ｍ的２．Ｏｍ（高）×Ｏ．３ｍ（宽）拟二维流化床内射流形成及发展过程、射流穿透深度和射流频率。

实验以常温和常压下的空气为流化介质，ＧｅｌｄａｒｔＢ类物料的玻璃珠（佛＝２５５０ｋｇ・ｍ一，矾一２５０～３００肛ｍ，“ｍｆ一０．０７ｍ・ｓ－１）为固体。

通过对射流气速为７．０７ｍ・ｓ。

１的１２００张图像进图２实验装置流程示意图Ｆｉｇ．２｛ｋｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ行逐帧分析，发现当时间为ｏ．０２５ｓ时射流已经形成并开始逐渐长大，到ｏ．１５０ｓ时，该射流在分布器上方脱落形成气泡，并有新的射流产生。

鼓泡流化床流动特性的数值仿真和实验研究

图２所示。
ＴＡＮＧｈｎ－ｌ，ＡＮＧｏｇ，ＳｅｇｉＷＣｈｎＬＶｎＰＨｏｇ，ＥＮＧｅＷｉ
（ｏｅｅｏｏｅｎｉｅｒｇＣｏｇｉｇＵｉｅｓｙＣｏｇｉｇ４０４ＣｉａＣｌｇｆｗｒｇｅｉ，ｈｎｑｎｎｖｒｉ，ｈｎｑｎ００４，ｈｎ）ｌＰＥｎｎｔ
：０
（）２
、
上式中，√代表直角空间坐标的方向，代表相所占ｉｓ各
的空间体积份数，Ｐ代表各相的密度（ｇｍ）Ｕ代表在该方ｋ／，
向上的速度矢量（／）下角标ｇ表示气相，代表颗粒相（ｍｓ，Ｓ下
同）。
由于是应用双流体模型，且拟仿真的流化床中只有气体与颗粒两相，以在某一有限单元体内各相的体积份数之和所
此需要对气固流体动力特性、流化现象规律加深认识。近年
来，在对鼓泡床内的流体动力特性进行研究中，多数学者大
的初始床层高度提供理论依据。
侧重于研究鼓泡流化床的速度条件』温度条件对鼓泡流、化床内气固两相流体动力特性的影响，对其它初始条件下而鼓泡流化床内气固两相流体动力特性变化研究较少。因此，
ＣＤ数值仿真软件在对流化床气固两相流动中得到了Ｆ充分运用［７。本文采用双流体模型的数值仿真，４］－并结合实验对不同初始床层分布下床内气泡尺寸、床层压力分布和气体泄漏率等进行研究，而了解不同初始床层高度下鼓泡流从化床内气固两相流体动力特性，为实际运行过程中确定合适

污水处理循环流化床流动特性的数值模拟及结构优化设计

污水处理循环流化床流动特性的数值模拟及结构优化设计循环流化床是一种较新型的污水处理设备,具有良好的气-液-固三相混合效果和优越的循环流动性能,其应用范围也越来越广泛。

对循环流化床流化效果的研究,除了传统的理论分析方法外,主要是通过实验和基于计算流体力学的数值模拟两种方法。

近几十年来,随着计算技术的发展,数值模拟方法具有的研究周期短、成本低的优势更为凸显。

本文根据某污水处理企业的需求,运用数值模拟方法研究了循环流化床的流场分布,并对流化床的结构进行了优化设计。

建立了污水处理用曝气式循环流化床的三维几何模型,采用欧拉三相流物理模型进行瞬态计算。

根据计算结果,分析了进气速度等工艺参数及流化床的尺度效应对流化床内流场的影响规律。

结果表明:随着进气速度的增大,空气在导流筒内的扩散效果逐渐减弱。

流场的循环流速在一定范围内随着进气速度的增大而增大。

生物固体颗粒的密度越接近液体(即水)的密度,流化效果越好。

其次研究了流化床几何尺寸的变化对流场的影响。

随着结构尺寸的增大,需要提高进气速度,给流场提供更大的能量输入,保证流场形成整体的循环流动状态。

对曝气式循环流化床进行了结构优化设计,以提高循环流化床的流化效果,避免固体颗粒的聚集。

设计了顶部导流结构,数值模拟结果表明导流结构能有效降低顶部区域液相流速的损失,对流化床循环效率具有提升效果。

同时能改变固体颗粒在流场中心聚集的状态,改善了固体颗粒在流场中的混合效果。

设计了导流筒十字分割结构,可使空气在导流筒内的分布更均匀。

针对污水处理工艺中的深度处理工艺,建立了实际尺寸的液-固两相催化流化床反应器的流体力学模型,对反应器中的流动过程进行了数值模拟,研究了固体催化剂密度、粒径、初始高度以及废水入口速度对流化效果的影响。

结果表明:降低固相颗粒的密度,有利于提高催化剂的催化作用,但颗粒密度过小时,易造成固相颗粒流化高度超过出水口。

减小催化剂颗粒的粒径,利于提高催化剂在反应器中的流化效果。

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2
2
（6）
式（7）即为结构与平均曳力系数的关系式，因此，动量交换系数可以由式（7）计算。

g 3 3 (1 g )CD ug up g dp (ug up ) 4
FD g
（7）
：为了比较，把本曳力系数与 Wen &Yu 曳力系数的比值定义为非均匀因子（ Hd ）
Hd
g d m f g d g m f
（28）

4 模拟结果与讨论
4.1 非均匀因子和模拟参数根据文献[20]中的数据，计算了不同气速下的 Hd ，得到的拟合关系式如表 1 所示，其适用区域
第 30 卷第 4 期
吕小林等. B 类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟
293
Us (
Ug
g

) g U g U p ( ) 1 g 1 g
Up
g
（5）
对比公式（3）和（4）可得：
(1 e ) p d p U s b (1 e ) U s e CD CDe (1 f b ) CDb f b (1 g ) U s (1 g ) g d b U s
第 30 卷第 4 期
吕小林等. B 类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟
291
化相颗粒表观速率（ U p e ），乳化相中气体表观速率（ U g e ），气泡整体运动速率（ U b ），气泡相体积，气泡中气体流动表观速率（ U g b ），气泡直径（ d b ）。分数（ f b ）对于鼓泡流化床，不具有颗粒循环，所以全体平均颗粒速率可以近似为零，即 U p 和 U p e 均为零。此外，对于 B 类颗粒，根据两相理论，乳化相中的气体速率可近似为起始流化速率，乳化相中的空隙率可近似为起始流化空隙率，即 U g e U m f ， e m f 。气泡的大小及速率对颗粒在鼓泡流化床的流动特性有很大的影响。本工作中气泡直径 d b 利用现有的经验关联式求解，采用 Mori 和 Wen 关于气泡直径关联式，即：
其中：
CD 4.7 Wen &Yu CD0 g
（8）
Wen &Yu
3 (1 g ) g 2.7 g ug up CD0 g 4 dp
（9）
2 参数求解
为使上述曳力系数能够嵌入商业软件 fluent 中，需求解 7 个结构参数：乳化相空隙率（ e ），乳
1 结构曳力系数模型
气-固鼓泡流化床的多相不均匀结构可以分解为两个均匀结构：乳化相和气泡相。乳化相中颗粒
收稿日期：2013-11-25；修订日期：2013-12-16。作者简介：吕小林（1986—），男，博士；李洪钟（1941—），男，研究员，通讯联系人。E-mail：hzli@。基金项目：国家重大基础研究计划（973）项目（2013CB632603）。
3
固相应力：

（20）
s s[us (us )T ] (s 2 s )us
3
径向分布：
1/3 g 0 1 s s max
1

（21）
（22）
固相压力：
ps s s s 2 1 e s2 g 0 s s
颗粒温度守恒方程：
（17）（18）
3 [ ( s ss ) ( u s s ss )] ( pI s ):(us ) (kss ) s 3 s 2 t
气相应力：
（19）
292
化学反应工程与工艺
2014 年 8 月
g g[ug (ug )T ] 2 gug
气固相动量方程：
（16）
( g g ug ) ( g g ug ug ) gpg ( g g ) g g g (ug us ) t ( s sus ) ( u s s s us ) spg ps ( s s ) s s g (ug us ) t
（23）
固相体积粘度：
s s s d p g0 1 e
固相粘度：
4 3
s
1/2
（24）
2 p sin s s d p s 1 0.4 1 e 3e-1 s g0 0.9 s s d p 1 e g 0 s s 6 3-e 2 I 2D

2
（12）
Davidson 和 Harrison 曾研究过气泡直径与气泡速率之间的关系，这里采用他们的关联式，即：
U b (U g U m f ) 0.711( gd b )0.5
得到如下关联式：
（13）
对于气泡相体积分数及气泡中气体流动表观速率，可以根据气体质量守恒及平均气相空隙率定义
：单位体积床层中气泡对乳化相中颗粒的曳力（ FDb n ）
（1）
FDb n
p 3 f b (1 e )CDb U s2b db 4
FD FDe n FDb n
（2）
单位体积床层中气-固之间的总曳力（ FD ）：
3 3 FD CDe g (1 f b )(1 e )U s2e f b (1 e )CD b p U s2b dp db 4 4
中图分类号：TQ018；TQ051.1
流化床由于具有良好的传质传热性能，并且易于实现规模化连续化操作，已被广泛应用于化工、冶金、能源、材料和制药等行业。气-固鼓泡流化床是最经典的流态化技术，是一种典型的气固非线性非平衡系统，其颗粒和气体流动特性比较复杂。近年来，随着计算机技术的飞速发展，以动量、质量、能量和组分守恒基本方程和数值计算方法为基础的计算机模拟在流态化研究过程中广泛应用。目前，用于模拟分析鼓泡流化床的计算流体力学（CFD）方法主要有颗粒轨道模型（DPM）[1-3]、宏观拟颗粒模型（PPM）[4-6]和双流体模型（TFM）[7]。颗粒轨道模型和宏观拟颗粒模型由于计算量巨大，适用范围受到了限制，双流体模型把颗粒和气体都假设为连续介质，所需计算机资源相对较少。大大提升了该模型预测的准 Gidaspow 等[8-10]采用颗粒动力学理论来确定在双流体模拟中的固相应力，确程度，使得双流体模型在气-固流化床流动特性的研究中得到了广泛应用[11-15]。对于双流体模型，李静海 [16] 曾指出，曳力系数计算方法的选取对双流体模型模拟流化床准确与否有着重要影响。 Gidaspow[8]模拟流化床时，当床层平均空隙率大于 0.8 时，曳力计算采用 Wen-Yu[17]关联式；床层平均空隙率小于 0.8 时采用 Ergun[18]方程。由于这两个关联式都是实验总结出来的经验或半理论的均匀气体与固体颗粒之间曳力的关联式，并不能很好地适用于鼓泡流化床中的不均匀结构，而通过细网格模拟 B 类颗粒在鼓泡流化床中的流动特性时，虽能得到较好的结果，但计算量较大。本工作在双流体模型的基础上，通过商业软件 fluent 中自带的自定义函数功能，采用结构曳力模型对鼓泡流化床中的颗粒分布进行模拟研究，力求较好地模拟鼓泡流化床的流动特性。
依据平均曳力系数（ CD ）的定义，又可得：
（3）
FD
(1 g ) g 1 2 2 3 CD g d p U s (1 g )CD U s2 3 2 4 4 dp dp 6
（4）
式中： g 为平均空隙率， U s 为床层气-固平均表观滑移速率，其表达式见式（5）。
为（ m f ～ d ）。当平均气相空隙率为 d 时，非均匀因子为 1。
表 1 不同气速下的非均匀因子 Table 1 Heterogeneous index under different velocities Ug/(m·s-1) 0.38
Hd
2 H d = 4.55 - 21.78εg + 0.370 7h + 26.62εg - 0.808 6εg h
d b (h) d b m (d b m d b 0 )e 0.3h /D
d b m 0.65 A U g U m f
（10）（11）

0.4
式中： d b m 为最大气泡直径； d b 0 为起始气泡直径，采用式（12）计算。
d b 0 0.003 8 U g U m f
2 γs = 3εs ρs g 0 Θs
1- e
2
1 4 Θs 2 dp π
（27）
曳力系数：
3 (1 f ) f u up CD 0 f2.7 f f 4 dp 3 (1 f ) f u up CD 0 f2.7 H d f f 4 dp 2 1 1 u up f f f f f 150 1.75 2 dp f dp
s
1
（25）
脉动能传导率：
2 6 2 ks 150 s d p 1 1 e s g 0 2 s s d p 1 e g 0 s 384 1 e g 0 5 s
2 1
（26）
碰撞耗散能：
εg
εm f < εg < 0.61
0.46
2 H d = 3.877 -18.61εg + 0.360 4 h + 22.76 εg - 0.787 7 εg h
εm f < εg < 0.65
模拟对象床高 1 m，床径 0.28 m，具体物性参数及操作参数如表 2 所示。气体从底部均匀进入，同时，出口的固体质量被监控，并令带出的颗粒按体积分数为 0.2 从底部返回。气体边界条件采用无滑移边界条件，颗粒采用镜像系数为 0.6 的半滑移边界条件。模拟时间持续 30 s，最后 15 s 用来平均统计分析。