流化床气液两相流数值模拟研究

齐洪波

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

流化床气液两相流数值模拟研究

齐洪波

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

文中利用Fluent软件对流化床反应器内气液两相流进行数值模拟，通过改变进气速度、气泡直径来研究操作参数对流化床反应器内气液两相流速度场和气含率的影响。从模拟结果分析比较可以看出，增大进气速度能够增加液相循环速度和气含率；减小气泡直径能够增加反应器内气含率，但会降低液相循环速度。研究结果对流化床反应器的设计及应用具有一定的参考价值。

流化床；气液两相流；数值模拟

0 引 言

目前，流化床反应器的研究进展大体有两种趋势：一种为实际应用，研究者根据实际的工业背景，通过经验确定流动参数；另一种为基础性研究，对床内的流场、气泡行为等流动细节进行研究，研究方法有实验研究和数值模拟两类。其中实验研究是获得反应器内流动、传质、传热及反应行为最直接的方法。近年来，人们逐渐意识到数值模拟方法对研究流化床的优越性，越来越多的学者已致力于数值模拟方法的研究[1-2]。

文中对三维流化床反应器中气液两相流进行数值模拟，通过改变进气速度、气泡直径来分析操作参数对反应器内液相速度分布和气含率分布的影响，研究结果对流化床反应器的设计及应用具有一定的参考价值。

1 计算模型

目前，由于DNS与大涡模拟方法在实际工程中应用较少，而Reynolds平均法的k-ε模型被广泛用于模拟各种工程实际问题，所以现对标准k-ε双方程模型、修正的k-ε模型和雷诺应力模型进行比较。

1.1 标准k-ε双方程模型

Spalding和Launder[39]在1972年提出的标准k-ε双方程模型是最为常用的模式。它基于以下几个假设：①湍流应力直接正比于平均应变速率；②涡粘度用两个参数表示，且这两个参数表示湍流的特征长度；③湍流应力与应变速度为线性关系，并把涡粘度当作流动的标量特性。多年来国际上的广泛应用证明了此模式对不同的湍流流场，都具有尚可接受的准确性，并具有简单和快速等优点。

1.2 修正的k-ε双方程模型

一般认为对强旋及浮力流、可压流或带有弯曲壁面的流动等问题，标准k-ε双方程模型存在缺陷[40]，为此，各国学者重新考察湍流动能耗散率ε方程的源项，放弃各项同性的假定等多个方面对k-ε模型进行修正。

1.3 雷诺应力模型

文中模拟气液两相的流场，选用多相流模型进行模拟。Fluent软件提供两种数值计算的方法处理多相流，分别为欧拉—拉格朗日方法和欧拉—欧拉方法。在欧拉—拉格朗日方法中，假设离散的第二相体积比率很低，粒子和液滴运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在流相计算的间隙完成。在欧拉—欧拉方法中，不同的相被处理成相互贯穿的连续介质，引入相体积率的概念，各相的体积率之和等于1。本文所要模拟的两相流动属于流体—流体混合物，而且其中的一相所占的体积无法再被其他相占有，所以选用欧拉—欧拉数值计算的方法处理。

在数值模拟计算中，共有三种欧拉—欧拉多相流模型，分别为流体体积模型(VOF)，混合物模型以及欧拉模型。VOF模型可以得到一种或多种互不相融流体间的交界面，应用于分层流、自由流动等；混合物模型通过相对速度来描述离散相，典型应用与低负载的粒子负载流、旋风分离器等；欧拉模型是数值模拟计算中最复杂的多相流模型，流—固处理和流—流处理不同，应用于气泡柱、颗粒悬浮以及流化床。所以本文采用欧拉模型进行求解，在求解中做如下基本假设：

(1)水为连续相，气体为分散相，且认为流动为不可压缩的等温流动。

(2)气泡为大小均匀的球体，运动过程中形状保持不变，气泡直径与设备的特征尺寸相比很小。

(3)忽略表面张力作用，认为两相压力相等。

(4)对气相忽略重力和虚拟质量力。

(5)气液两相之间及两相与外界环境之间没有质量和能量的交换。

2 反应器模型

流化床反应器几何模型及网格划分使用Gambit软件。方形反应器尺寸为上部沉降区尺寸0.654×0.15×0.1 m；中心反应区尺寸0.48×0.15×0.621 m，其中挡板尺寸0.005×0.15×0.621 m，挡板间距0.24 m；底部曝气钛板长L0=0.2 m，反应器总高H=1.011 m。考虑到光辐射的范围和最佳反应范围，在反应器内布置了水平间距为0.08 m，垂直间距为0.069 m,管径DN=0.024 m的40只灯管，流化床反应器的几何模型如图1所示。进口边界条件采用Fluent提供的速度进口边界(velocity inlet)条件。取充分发展的自由面出口(outflow)作为出口的边界条件。固体壁面处默认为无滑移边界条件。

图1 流化床反应器的几何尺寸

3 模拟结果分析

3.1 进气速度对速度场的影响

进气速度对速度场的影响，如图2所示。

由图2(a)～(d)可知，随着表观气速的增大，反应器内的液速也随之增加，这是由于随着进气气速的增大，引起输入到体系中的能量增加，反应器内的流型也发生了相应的转变，由均匀泡状流逐渐过渡为非均匀湍流，从而使液速加快。当气速增大时，反应器内流体湍动加剧，气泡的增多使得其相互间的碰撞、聚并等作用增强，气速的提高有利于气液两相间的传质和反应。

3.2 进气速度对气含率的影响

进气速度对气含率的影响，如图3所示。

图3 不同气速y=0平面气含率分布

从图3(a)～(d)可见，升流区和降流区内气含率随着进气速度的增加而单调递增。这主要是因为相同的进气面积，进气速度增大，进气量增加，气泡数量增多，所以在同一截面上气含率增大。从图上还可以看出，在较低气速情况下，气泡群摆动幅度很小，基本上是直线上升，随着气速的增加，气泡群摆现象加剧，发生摆动幅度也加强。由此可见，提高进气速度有利于增大气含率。但是，气含率的增大存在一个适宜的范围，有关研究表明流化床反应器内气含率不得大于0.3，否则气液就会相互合并，以液体为连续相的分散型气液的两相流就将被破坏[3]。

3.3 气泡直径对流场的影响

以下取进气速度为0.02 m/s，反应器结构不变，两相流模型、湍流模型及边界条件不变，比较气泡直径分别取D0=0.5 mm、2D0、3D0、4D0情况下的水气比和混合效果。

图4表示了在不同气泡直径下挡板下边缘平面中心线处液相速度的大小分布。可以看出，随着气泡直径增大，液相速度增加。这主要是由于气泡直径增大，气泡所受浮力增加，上升速度加快，所以液相速度增加。

3.4 气泡直径对气含率的影响

图5 不同气泡直径下y=0平面气含率分布

由图5可以看出，随着气泡直径的增大，反应器内气含率逐渐减小。这是由于气泡大小不一致导致其在水中上升速度不一样产生的。气泡直径小，所受浮力就小，在水中上升速度较慢，所以气含率较高，且向周围扩散使得其分布较均匀。气泡尺寸增大，使得其所受浮力相应增加，上升速度加快，在反应器内的停留时间变短，从而减缓了两侧气含率的增幅，导致中心与两侧气含率的差距增加。

4 结束语

文中利用Fluent软件对流化床反应器气液两相流进行数值模拟，结论如下：

(1)标准k-ε湍流模型能够对流化床反应器的流场进行正确的模拟和预测；

(2)增大进气速度可以增加液相循环速度和反应器内气含率；

(3)减小气泡直径可以增大流化床反应器内气含率，但会降低液相循环速度，这主要是因为气泡上升速度与气泡直径密切相关。

通过改变进气速度、气泡直径操作参数来研究对流场的影响，研究结果对流化床反应器的设计及应用具有一定的指导意义。

[1] 李 敏, 王光谦, 于 洸，等. 内循环流化床反应器流体力学特性的数值模拟[J]. 环境科学学报，2004, 24(3):400-405.

[2] 鹏 程. 复杂边界通道内的三维稳态数值模拟[D]. 西安：西安理工大学，2000.

[3] Afsin Gungor, Nurdil Eskin. Hydrodynamic Modeling of a Circulating Fluidized Bed[J]. Power Technology, 2007, 17(2):1-13.

Research on Numerical Simulation of Gas-liquid Two-phase Flow in Fluidized Bed

QI Hong-bo

(Energy Conservation Service Centre of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China)

This paper uses FLUENT software to simulate gas-liquid two-phase flow in fluidized bed reactor. This analysis is based on changing the velocities of gas, diameters of the air bubble. Based on the analysis and comparison, it can be gotten that increasing the velocity of gas can add the circular velocity of liquid and holdup of gas. The holdup of gas is increased by minishing air bubble diameter in the reactor, but the circular velocity of liquid is reduced. The research has some reference value for the design and operation of the fluidized bed reactor.

Fluidized bed; Gas-liquid two-phase flow; Numerical simulation

2014-11-11

2014-12-25

齐洪波(1983-)，女，工程师，2008年毕业于哈尔滨工业大学，研究生学历，主要从事能源技术研究工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.006

TK229.5

B

1009-3230(2015)01-0019-04