基于Fluent软件的流化床的气固两相流模型研究

摘要

气固流化床是能源、化工、冶金、石油等行业的重要设备。与传统的反应器及燃烧设备相比较，它具有设备大型化、过程易于控制、传热传质效率较高、床内温度分布较均匀等优点。由于其广阔的应用前景使它自诞生的几十年来倍受人们的关注，但床体内气固两相存在强烈的非线性、复杂性作用使人们对床层内的流动规律尚不十分清楚，从而导致了流化床设备的设计与放大方面存在很多困难。
　　 以载有Geldart B类颗粒的二维鼓泡流化床为研究对象，利用Fluent商业计算流体力学软件包，以双流体模型为基础对床层流场进行数值模拟。主要研究了Fluent软件两相流模型的应用和计算区域的网格划分方法，采用有限容积法离散控制方程，研究了时间步长、松弛因子以及求解器的选择效果；分析了双流体模型控制方程的建立、封闭模型方法、壁面边界条件、气固曳力模型和颗粒相粘度模型等对模型应用的影响，并且自编基于不同理论基础的两个曳力模型模块接入Fluent软件。
　　 通过对气固两相无滑移、气相无滑移颗粒相有滑移、气相有滑移颗粒相无滑移、气固两相有滑移四种壁面边界条件的模拟分析，气相无滑移，颗粒相有滑移的壁面边界条件能够更好地模拟鼓泡床的床层流动特性；在以双欧拉模型进行气固多相流动计算时，颗粒间作用的影响要比气固间作用的影响小得多，气固相间曳力主导床层流体力学特性。
　　 通过对k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε三种湍流模型的模拟，标准k-ε湍流模型与RNG k-ε湍流模型比Realizable k-ε模型更加适用于鼓泡床中的湍流过程。标准k-ε湍流模型的精确度要高于RNG k-ε湍流模型；通过对Gidaspow曳力模型、Koch-Hill曳力模型、Di-Felice曳力模型的模拟，三种曳力模型都可以成功地模拟单喷嘴鼓泡床中气泡的形成过程，但在气泡上升过程中Di-Felice曳力模型所模拟的情况与实际情况差距较大；通过改变送风速度定性地证明了鼓泡流化床中气体表面张力的存在。
　　 Fluent软件能够进行外部程序接入并能较好地设计或优化鼓泡流化床设备。考虑颗粒相对壁面边界的滑移，忽略颗粒相粘度模型对床层的影响，利用标准k-ε湍流模型、Gidaspow和Koch-Hill曳力模型的计算结果与流态化原理及文献结果吻合性较好，双流体模型能够设计及优化鼓泡流化床设备。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1前言

1.2流态化技术及气固流化床概述

1.2.1流态化技术及发展

1.2.2气固流化床概述

1.2.3气固鼓泡床中的流动特点

1.3气固流化床两相流模型与研究进展

1.3.1双流体模型

1.3.2离散颗粒模型

1.3.3格子气自动机及格子波尔兹曼方法

1.3.4三种模型的对比

1.4研究背景与研究内容

1.4.1研究背景

1.4.2研究内容

2双流体模型的基本方程及实现方法

2.1双流体模型的基本方程

2.2计算流体力学的实现方法

2.2.1有限差分法

2.2.2有限元法

2.2.3有限体积法

2.2.4三种方法的分析比较

2.2.5 Fluent软件介绍

2.3颗粒相间的封闭

2.4气固相间封闭关系

2.4.1 Gidaspow曳力模型

2.4.2 Koch-Hill曳力模型

2.4.3 Di-Felice曳力模型

2.5湍流模型的选择

3二维对象的构建与模拟

3.1实体模型的建立与网格划分

3.2有限体积法建立离散方程

3.3差分方程的建立

3.4计算方法

3.4.1求解器的选择

3.4.2方程离散格式的选择

3.5计算条件

3.5.1时间步长的设定

3.5.2松弛因子的选择

3.5.3初始及边界条件的设置

4计算结果及分析

4.1气泡的认定

4.2不同壁面边界条件对模拟结果的影响分析

4.3封闭关系对床层流动特性的影响分析

4.4不同湍流模型分析

4.5不同曳力模型分析

4.6气相表面张力分析

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录