一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法

摘要

本发明提供了一种基于CFD‑DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，包括如下步骤：建立喷动床传热过程的物理模型；建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；进行CFD‑DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；选取几组不同形状的颗粒，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；分析比较在不同形状颗粒的温度场变化，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律；本发明可以优化实际工况中热工参数，提高干燥效率，降低生产损耗，提高社会和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟领域，具体而言，涉及一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法。

背景技术

喷动床作为典型的流态化设备具有流型简单规则，气固接触充分，传热效率高，适合处理不规则、粘性等非常规颗粒，方便处理热敏性物料等突出优势。经过60多年持续不断的基础研究和技术开发，其应用领域不断拓展，目前已广泛应用于农业、食品、制药、能源、环保、化工、核燃料等众多领域，主要包括干燥、混合、造粒、包衣涂层等多种物理工艺过程，同时在煤气化、生物质制合成燃料、油页岩热解、铁矿石还原、焦炭活化、石油催化裂化等诸多热化学工艺中也显示出巨大的应用潜质。这些工艺过程所涉及的颗粒超过70％呈非球形，因此，研究和掌握非球形颗粒在喷动床中的传热特性对于喷动床的结构设计、工艺参数优化和应用推广具有重要的现实意义。

发明内容

基于此，为了解决现有技术的非球形颗粒喷动床内传输过程的数学模型复杂而导致分析改进优化困难的问题，本发明提供了一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其具体技术方案如下：

一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，包括以下步骤：

采用组合球方法建立不同Ar的椭球颗粒模型；

建立喷动床传热过程的物理模型；

建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；

建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；

进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；

选取几组不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒填充的喷动床，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；

分析比较不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒的喷动床内平均颗粒温度及温度标准差，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律。

进一步地，所述连续性方程为：

其中：

ρ

ε

u为气体表观速度，单位为m/s。

进一步地，所述动量方程为：

其中：

p为气体压力，单位为Pa；

F

g为重力加速度，单位为m/s

τ为气相应力张量，单位为Pa。

进一步地，所述能量方程为：

其中：

c

k

A

T

T

h

进一步地，所述A

进一步地，所述h

其中：

i表示第i个颗粒；

Pr为普朗特数，由下式计算：Pr＝(u

Re为雷诺数，由下式计算：Re＝(ρ

d

v

u

进一步地，所述颗粒运动控制方程为：

其中：

m

v

f

f

f

m

I

ω

T

T

进一步地，第i个颗粒和第j个颗粒间导热方程，具体为：

Q

其中：

T

T

h

进一步地，所述h

其中：

f

R

E

k

进一步地，所述物理模型包括网格以及边界线。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用离散相DEM理论建模，可对传热过程中任意时刻任意颗粒的温度和传热速率变化进行观测、仿真计算分析。

2.本发明综合考虑颗粒间导热、气体和颗粒对流换热以及颗粒形状的变化，使仿真计算分析更贴近实际情况，计算结果更为精确。

3.本发明可以通过更改入口参数，对比传热效果，对实际热工参数的优选提供理论依据。

4.本发明具有成本低、精度高等显著优点，可以较容易获得某些通过实验方法不容易获得的非球形颗粒传热的规律及参数。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的流程图；

图2为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床的结构示意图；

图3为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床物理模型网格划分及边界条件的示意图；

图4为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的非球形颗粒示意图；

图5为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床物理模型CFD-DEM耦合计算过程示意图；

图6为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的5秒时颗粒温度分布图；

图7为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒平均温度曲线图；

图8为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒温度标准差曲线图；

图9为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒1秒时温度频率分布曲线图；

图10为本发明实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒5秒时温度频率分布曲线图。

附图标记说明：

1、空气压缩机；2、压力表；3、稳压装置；4、流量计；5、喷动床本体。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，本发明一实施例中提供了一种基于CFD-DEM耦合模型的喷动床中非球形颗粒温度场分析方法，包括以下步骤：

采用组合球方法建立不同Ar值的颗粒模型；

建立喷动床传热过程的物理模型；

建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；

建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；

进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；

选取多个不同Ar值的颗粒模型填充的喷动床，在相同的基本求解参数的条件下进行模拟计算，所述基本求解参数包括喷气速度和气体温度；

分析比较所述不同Ar值的颗粒模型填充的喷动床内平均颗粒温度及温度标准差，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律；

其中，CFD是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的简称，DEM是离散单元法(Discrete Flement Method)的简称；CFD-DEM模拟耦合是一种基于欧拉-拉格朗日参考系的方法；CFD-DEM耦合方法的基本思路是：通过CFD技术求解流场，使用DEM方法计算颗粒系统的运动受力情况，二者以一定的模型进行质量、动量和能量等的传递，实现耦合。

Ar值是指颗粒在x坐标轴方向的长度与y方向上的长度的比值，故Ar值为1的颗粒为球形颗粒，而Ar值不为1的颗粒均为非球形颗粒。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述物理模型包括喷动床模型，喷动床所述喷动床模型包括依次连通的空气压缩机2和喷动床本体5，所述空气压缩机2上连接有压力表1，所空气压缩机2与所述喷动床本体5之间依次连接有稳压装置3以及流量计4。

所述喷动床模型的工作原理为：所述空气压缩机2提供气体，经过空气压缩机2出口的气体经过稳压装置3、流量计4从所述喷动床本体5底部的入口进入所述喷动床本体5内吹动所述喷动床本体5内的料，所述料为颗粒状。

如图3所示，在其中一个实施例中，喷动床所述喷动床模型的尺寸参数为：喷动床长为230mm，喷动床宽为16mm，喷动床高为1000mm；同时，采用结构化方法对所述喷动床模型进行网格划分，其中，计算区域共个2300个六面体面体网格单元，网格大小为10mm×16mm×10mm；入口采用速度入口边界条件，大小为10mm×16mm，出口采用压力出口边界条件，大小为230mm×16mm，其余均为壁面条件。

在其中一个实施例中，各所述颗粒模型的体积相同，在此前提下，相同体积而不同Ar值的颗粒的Ar值取值应该分布于Ar＝1的两侧；进一步地，如图4所示，为了方便举例，分别选取Ar＝1以及位于Ar＝1取值范围两侧的数值以形成直观对比，所述颗粒模型的Ar值可以为0.64、1或2.4，其中，图4中颗粒模型(a)的Ar值为0.64，颗粒模型(b)的Ar值为2.4，颗粒模型(c)的Ar值为1，此时Ar值为1的球形颗粒的直径为4。

在其中一个实施例中，所述相同的基本求解参数的条件为：气体温度为373K，喷气速度为40m/s，颗粒密度为2500kg/m

在其中一个实施例中，在CFD中建立所述流体相控制方程。

在其中一个实施例中，所述连续性方程为：

其中：

ρ

ε

u为气体表观速度，单位为m/s。

在其中一个实施例中，所述动量方程为：

其中：

p为气体压力，单位为Pa；

F

g为重力加速度，单位为m/s

τ为气相应力张量，单位为Pa。

在其中一个实施例中，所述能量方程为：

其中：

c

k

A

T

T

h

在其中一个实施例中，所述A

在其中一个实施例中，所述h

其中：

i表示第i个颗粒；

Pr为普朗特数，由下式计算：Pr＝(u

Re为雷诺数，由下式计算：Re＝(ρ

d

v

u

在其中一个实施例中，在DEM中建立所述固体相控制方程，所述固体相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程。

在其中一个实施例中，所述颗粒运动控制方程，具体为：

其中：

m

v

f

f

f

m

I

ω

T

T

在其中一个实施例中，所述颗粒间导热方程，具体为：

Q

其中：

T

T

h

其中：

f

R

E

k

在其中一个实施例中，如图5所示，所述进行CFD-DEM耦合仿真并获取固相颗粒的温度的步骤为：在每个时间步骤中，首先通过DEM产生单个颗粒的信息，所述颗粒一共产生10000个，颗粒初始温度为298K；然后在DEM中计算颗粒中的孔隙率、颗粒-流体相互作用力，以及热通量；进而将所述颗粒的信息、孔隙率、颗粒-流体相互作用力以及热通量用于CFD以确定流体速度场，温度场，并分别获得颗粒-流体相互作用力，以及热空气与颗粒之间的热传递信息；将所述颗粒-流体相互作用力和热空气与颗粒之间的热传递信息结合到DEM中，产生下一时间步骤的单个颗粒的信息；循环上述步骤直至达到预设的仿真时间，计算结束；其中，所述单个颗粒的信息包括颗粒的位置、速度和温度。

下面根据本发明的方法进行分析应用。

如图6所示，选取Ar值分别为0.6、1以及2.4的颗粒，按照本发明的方法，仿真上述三组数据对应获得不同的流化床内颗粒温度分布图。从图6看出，等体积的非球形颗粒相比于球形颗粒受热效果更好，温度更高。

如图7为不同Ar颗粒平均温度曲线图。图中横坐标为计算时间，纵坐标为颗粒的平均温度。从图7看出，Ar＝0.64与Ar＝2.4的颗粒平均温度均高于Ar＝1的颗粒，主要是因为在等体积的非球形颗粒比球形颗粒有更大的表面积，从而增加了与热气的对流换热效率，从而导致比球形颗粒有更高的温度。

如图8为不同Ar颗粒温度标准差曲线图。图中横坐标为计算时间，纵坐标为颗粒温度的标准差值。从图8看出，Ar＝0.64与Ar＝2.4的颗粒温度标准差均高于Ar＝1的颗粒，说明了球形颗粒相比于非球形颗粒受热的均匀性更好，可能的原因是由于非球形颗粒的堆积结构引起的。

如图9为不同Ar颗粒1秒时温度频率分布曲线图。图中横坐标为颗粒温度，纵坐标为频率。从图9看出，Ar＝0.64与Ar＝2.4的颗粒温度频率值在各个温度区间内基本相同，但高于Ar＝1的颗粒，说明了在初始1s的加热时间内，非球形颗粒的加热效果比球形颗粒好，导致整体颗粒温度均高于球形颗粒。

如图10为不同Ar颗粒5秒时温度频率分布曲线图。图中横坐标为颗粒温度，纵坐标为频率。从图10看出，Ar＝0.64与Ar＝2.4的颗粒最大频率值的温度均高于Ar＝1的颗粒，说明了在达到稳定加热阶段时，非球形颗粒大部分颗粒都加热到较高温度，主要原因还是由于非球形颗粒有着更大的对流换热效率，但Ar＝0.64的颗粒最大频率值的温度比Ar＝2.4更大，这可能是由于Ar＝0.64的颗粒有更大的表面积以及在在喷动床中的取向有关。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用离散相DEM理论建模，可对传热过程中任意时刻任意颗粒的温度和传热速率变化进行观测、仿真计算分析。

2.本发明综合考虑颗粒间导热、气体和颗粒对流换热以及颗粒形状的变化，使仿真计算分析更贴近实际情况，计算结果更为精确。

3.本发明可以通过更改入口参数，对比传热效果，对实际热工参数的优选提供理论依据。

4.本发明具有成本低、精度高等显著优点，可以较容易获得某些通过实验方法不容易获得的非球形颗粒传热的规律及参数。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。