基于流态化技术的振动流化床气固两相流动分析

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Analysis of gas-solid two-phase flow in vibrationfluidized bed with fluidization technologyZHU Liang，LIUHong-yi，YUAN Pei-xin(School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China)Abstract：Based on the mathematical model analysis of gas-solid two-phase flow in vibration fluidized bedwith fluidization technology，the numerical simulation of lignite granule be d was made by using theprofessional fluid analysis software FluentTM.The influence of the vibration，air velocity，lignite granularityand other parameters on lignite granuleS uniform fluidization was studied.The results show that theinteraction among vibration and air flow can suppress the back mixing of the lignite granule effectively，and making the lignite granule uniformly dry.ItS an effective numerical simulation method to simulatethe gas-solid two-phase flow in vibration fiuidized bed by FluenCⅢwith two.fluid mode1。

Key words：vibration fluidized bed；gas-solid two-phase flow；Fluent；uniformity；numerical simulation褐煤是地球上分布最广泛的能源之-，是重要的能源和化工原料，我国的褐煤资源也比较丰富，目前已探明储量达1 303亿 t.但因为存在含水量高(25%～50%)，热值低等缺点，导致其市驰格较低，利用率低下，不仅浪费运力，且形成大量的燃烧废渣和由燃烧不充分所导致的空气污染.如将褐煤进行干燥并控制水分，就可以提升煤质(热值提升至 14 00020 000 kJ)，大大提高褐煤的市场用量和经济效益。

褐煤的干燥设备有滚筒干燥机、气流干燥机、流态化干燥机等多种类型.而振动流态化技术是将基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105064)作者简介：朱 亮(1981-)，男，博士生，E.mail：neuphd###163.corn振动能量引入到普通流化床中，通过振动的加入使床层达到良好的流化状态的-种气固流态化技术，是 目前国内褐煤干燥中最先进的也是最有发展前景的技术.因此，研究振动、风速、褐煤颗粒粒度等参数对振动流化床床层流态化的影响，对于开发大型振动流化干燥系统具有重要的意义。

本文根据 Euler方法的双流体模型理论建立描述振动流化床气固两相流动的基本方程组，并在此基础上，建立振动流化床气固两相流动的动力学模型.采用专业的流体力学分析软件 Fluent，通过用户白定义函数(UDF)编程加入振动作用对床层的中 国 工 程 机 械 学 报 第 11卷影响，对褐煤颗粒床层进行数值模拟，通过对模拟结果进行对比分析，最终得出具有有效性和实用性的结论。

1 振动流化床气 固两相流动的数学模型1.1 气固两相双流体模型基本方程Euler法的双流体模型能够较好地解决流化床中气固两相的流动问题，因此本文从振动流化床气固两相流动的物理本质着手，在双流体模型的基础上，建立振动流化床气固两相流动的数学模型-1]。

气固两相的连续性方程气相：(ag10g)V(OtgPgg) 0 (1)固相：(6f sP。)V(a。P。U。) 0 (2)0 b式(1)，(2)中：a ，a。分别为气固两相的体积分数；V为哈密顿算子；U ，Ⅱ。分别为气固两相的运动速度；l0 ，l0。分别为气固两相的密度。

气固两相动量方程由于气固两相间的升力和虚拟质量力相对于两相间的曳力来讲很小，可以忽略不计，因此气固两相流动的连续性方程和动量方程可简化为以下形式。

气相：( gJDgng)V(agl0glg，ing)：U D-dg V PV gP(ug-Us)O/gIDgg (3)式中： 为气相在 方向和 Y方向的运动速度，i： ，Y；P为颗粒压力； 为气相的剪切应力张量； 为气固两相问交换系数；9为体积分数。

固相：(a lD。U )V(a 10。l。，iU )0- 。 V P VvsOrslD。(F g) ( 。-Ug)(4)式中： 为固相在 方向和 方向的运动速度，i ，Y； 。为固相的剪切应力张量；F 为振动流化床激振力。

1.2 曳力系数模型气固两相间作用的曳力模型大致有三种：-种是根据实验数据关联所得到的经验或半经验模型，如 Gidaspow模型 ，Syamlal-O'Brien模型 。 ；另-种是基于气固相作用的理论，通过纯数学方法推导出的模型，如 Koch Hil模型[ ；第三种是对经验或半经验模型进行修正的模型，如修正的 Syamlal-OBrien模型 ，McKeen模型 .Gidaspow模型分别就气相体积份额的不同给出相应的气固两相间的曳力系数，有较广泛的运用范围，因此对于密集的气固流化床，相间曳力系数-般采用 Gidaspow模型.本文即选择Gidaspow模型，具体形式如下：当 Ot g>0.8时，气固两相间交换系数 为J9 c。 es (5)式中：Co为曳力系数；d。为颗粒直径。

当 a ≤0.8时，气固两相间的交换系数为： 150坠 1.75 二 a'g S Ⅱ(6)曳力系数为l Z4[10·15(OfgRe) ]c。 0.4， (a R <1 00) (7) l0.44， ( ：Re≥1 00)式中：Re为雷诺数，Re sl。

Ug1.3 激振力的确定肖帅刚等[7 测量了振动流化床中床层对分布板的作用力.当床层流化时，测得分布板与床层之问存在着连续的弹性作用，提出了分布板与床层问的弹性作用模型.模型中忽略颗粒床层内部轴径向的弹性差异，将弹性床层视为-个质量为 m、弹性系数为 、阻尼系数为 C的单 自由度均匀弹性体，如图1所示。

- - - -- - - -- - - -· . m - - - - 睾 I yI l Il l Il I Jl Il l l l IyAsin Cot图 1 振动流化床床层弹性模型示意图Fig.1 Vibrated fluidized beds bed flexibility mode1分布板的运动方程为Y Asinwt (8)第 1期 朱 亮，等：基于流态化技术的振动流化床气固两相流动分析 3式中：，为分布板的位移；A为振幅；∞为振动的频率；t为振动的时间。

取重力作用下的床层状态为平衡状态，不考虑流化床侧壁对床层的摩擦力，床层的受力为床层形变的弹性力和床层的阻尼力，则弹性床层的运动方程为my - k(Y- Y1)-C(Y-yi) (9)式中： 为床层离开平衡状态的位移。

求解方程(9)，可得流化床稳态解为YA√ sin( )(10)式中： 为量 纲- 阻尼系数， ：c/(2、，/m )；为频率比， ∞ /k； 为 相 角， 。

2 3arc 切 n 所以，分布板的受力 F为Fm ：-mAyo √ ·sin(ot- ) (11)m BLHo(1-0)lD。 (12)式中：B为床体的宽度；L为床体的长度；H。为床层的初始高度；e。为床层的初始空隙率。

2 数值求解方法和物理参数的确定2.1 数值求解方法本文采用专业流体力学分析软件 Fluent，并选取Euler双流体模型和气固两相流动的 -e湍流模型.考虑模型中的振动作用，设定床体为正弦运动，网格划分为动态的层铺网格，且采用-阶迎风格式嘲的离散方法和压力 -速度耦合的 SIMPLE算法[9]进行迭代求解。

流化床的风由布风板底部吹入床体的，且-开始设定流化床入口处的气流速度为固定值，因此确定布风板气孔为速度人口型边界.而对床体壁面没有特殊要求，因此定义为壁面型边界.由于在正常工况下褐煤颗粒很难达到床体上部，并且在边界出口处有确定的静压，因此确定床体上部为压力出口型边界。

2.2 物理参数的确定本文所研究的振动流化床，其主体部分尺寸：床体长度为19 m，床体宽为3.6 m，褐煤流化腔体高为3 m，褐煤床层初始高度为0.24 m.整个干燥系统的工艺流程如图2所示。

图 2 150 t·h-1褐煤干燥系统工艺流程图Fig.2 150 t·h- Lignite dehumidificationsystem process flow根据已知条件的计算和相关物理模型的选择，可得振动流化床气固两相流动在 Fluent中实现数值模拟所需要的物理参数，如表 1所示。

表 1 模型中的参数及初始值Tab.1 Parameter and initial value in model3 数值模拟结果及分析3.1 振动对床层流化均匀性的影响通过改变不同参数的大小如风速、振动频率等来对流化状态进行测试，得出相关的模拟结果.图3中，在不加振动时，普通流化床的气固两相流动杂乱无章，多处出现体积大且形状不规则的气泡.床层扰动非常剧烈，气固两相流动仪常不稳定。

从图4的压力等势线图中也可以看出，在不加振动时，等压线波动很大，床层压降分布不均匀，说明床层内气固两相流动杂乱而且扰动大。

中 国 工 程 机 械 学 报 第 11卷3 结论(1)建立-种操作性较强的产品创新集成模型.这对其他类产品的创新有-定的参考。

(2)构造冲突逻辑图表，找出系统冲突的根原因及冲突类型，结合 TRIZ冲突解决原理寻找创新解.在紫外光油烟机集烟罩、油烟管道、风机安装位置、净化过程等方面获得创新解。

(3)确定各分功能原理解，建立形态学矩阵，得到可行原理解，利用集成评价策略选出最优方案。