基于DDPM+DEM的建筑鼓泡流化床流動特性模擬

王育紅

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000）

流化床是一種氣固反應設備，其在化工、礦冶、燃料電池等諸多領域受到廣泛應用[1-2]。流化床分為兩種：鼓泡流化床鍋爐和循環流化床鍋爐，相比較而言鼓泡流化床的熱能利用率更高，因此鼓泡流化床的使用更加的廣泛[3-5]。但是由于鼓泡流化床反應器內部存在這稠密相、稀疏相、氣相，因此整個過程屬于多相作用的問題，這給流化床的分析帶來了很多困難。而流化床工作過程中氣泡的生成速率、顆粒相的運動情況對于整個反應至關重要，因此必須建立合理的分析模型對流化床中物質運動規律進行研究從而優化反應器設計參數，提高生產效率。

本文針對上述問題采用FLUENT中的離散相歐拉碰撞模型（DEM）應用于稠密顆粒流動中，該模型使用密集離散相模型（DDPM）在初級階段求解顆粒堵塞的影響[6-7]。結合自編UDF程序對流化床工作過程中氣泡的上升速率、顆粒的碰撞運動情況進行分析研究。

1 模型建立

1.1 幾何模型

如圖1所示為流化床幾何模型示意圖，從圖中可以看出，流化床主要包括了三個部分：空氣進口、顆粒層、壓力出口，流化床整體結構為0.2m×0.2m×0.4m的長方形區域內。氣體以0.5 m/s的表觀速度通過顆粒層，監測床層壓降。

圖1 流化床幾何模型示意圖bed

1.2 邊界設置

從經典的流化曲線來看，如果流體入口的表觀速度很小，則床態不流化，表現為填料床。當流體速度增大時，流化床開始流化[8-9]。在填充床條件下，隨著表觀速度的增加，壓力會呈現線性增加。當逐漸增加到流化條件時，壓力達到恒定值（在時間上平均）。本文設置進口處空氣流速為0.5 m/s，出口為壓力出口，壓力為標注1atm，流化床中顆粒為石英顆粒，密度為2 600 kg/m3。設置距離進口處0.15 m處為初始顆粒表面。

2 結果與討論

2.1 顆粒濃度分析

空氣以0.5 m/s的速度從進口去進入顆粒層，圖2為顆粒濃度分布圖，從圖中可以看出流化床內主要存在著兩相（氣泡相和顆粒相）。首先氣泡從流化床底部逐漸向顆粒層中間區域滲入，可以看出0.4 s時顆粒底部位置所形成的氣泡區域，隨著時間的推移氣泡相逐漸向上浮動，此時可以看出在氣泡周圍團聚的顆粒相，鼓泡時間1.2 s，氣泡已經沖破顆粒表面層，隨后氣泡破裂，由氣泡所帶動的顆粒重新落入流化床底層區域，可以看出氣泡在上升過程中其受到顆粒作用其形狀不斷發生變化。

圖2 顆粒濃度分布圖

圖3為不同時刻顆粒運動軌跡圖，從圖中可以看出顆粒的運動軌跡與顆粒濃度分布圖基本相似。在氣泡形成擴散初期（0.4～0.8 s），顆粒層表面有浮動拋起的少量顆粒，此時揚起的顆粒主要分布在流化床壁面附近兩側，從0.8 s的顆粒分布圖表面鼓起了大量顆粒，而由于氣泡受到頂部顆粒重力作用明顯，氣泡被壓縮從而表面鼓起的顆粒呈中部凹陷形狀。流化床的特性是通過進口速度使得固體顆粒具有流體的性質，而在使用過程中要根據用途合理調整氣體流速，如果氣體流速過快將會使得顆粒局部噴出難以達到流化顆粒作用，而如果過慢將會使得顆粒表面無法形成流態，因此可以借助于模擬確定適合于顆粒最優的氣體參數。

2.2 壓力及速度測試分析

圖4為流化床床層壓降曲線圖，從圖中可以看出在流化床工作初期頂部出口壓力出現明顯的壓力浮動變化（0～0.4 s），這主要是因為在氣泡鼓起初期流化床內部顆粒膨脹致使空氣被壓縮，內部壓力迅速上升，但此階段持續時間很短，隨著氣泡鼓出破裂壓力迅速下降，隨著時間的推移，氣流維持的流化床達到穩定狀態，壓力基本維持在931 kPa左右，此壓力可以基本維持顆粒的流態。

圖4 流化床床層壓降曲線圖

圖5為顆粒表面平均速度變化值，圖中分別表示了理論和試驗兩種計算結果值，從圖中可以看出模擬的結果與實驗測得數值基本一致，只是由于模擬中并未考慮上升過程中空氣對于顆粒的阻力，因此模擬結果的速度值略微高于實驗室測得數據。

圖5 顆粒表面平均速度變化值

3 結論

本文采用數值模擬的方法對流化床工作過程中顆粒相及空氣相的變化情況進行分析研究，模擬結果與實驗數據基本吻合，從而驗證了模擬的可靠性。根據模擬分析的結果可以對流化床工作的機理以及顆粒與空氣速度之間的關系做出定性分析，從而對于優化設計流化床具體參數具有實際意義。