颗粒群绕流传质特性的格子Boltzmann模拟.pdf

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1、第32卷第4期2016年8月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol32，N04Aug．2016文章编号：100l一763l(2016)04_’0289__08颗粒群绕流传质特性的格子Boltzmann模拟王利民1，昊承优1，2l冲国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京100190；2．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000摘要：为考察气固两相流中颗粒团聚对气固传质过程的影响，采用耦合传质的格子Boltzmann模型对在空间均匀分布的颗粒结构和非均匀分布的颗粒团聚物结构条

2、件下的绕流过程进行了直接数值模拟，得到了气体绕颗粒流动的速度分布和伴随流动的浓度分布，发现颗粒团聚物对绕流过程的速度分布和浓度分布都具有明显的影响。通过对颗粒绕流的气固传质过程进行定量分析发现，在两种结构条件下计算得到的传质舍伍德数均随着雷诺数的增大而呈指数函数形式增大，并且在均匀结构条件下的传质舍伍德数一般为非均匀结构条件下的3～5倍，颗粒团聚物的存在将严重影响颗粒绕流过程的气固传质效率。通过格子Boltzmann方法建立的气固相间传质模型，可以为研究气固两相流介尺度结构的传递特性提供理论依据。关键词：颗粒群绕流颗粒团聚物格子玻尔兹曼方法传质数值模拟中图分类号：

3、TQ021．4文献标识码：A气固流动中，团聚物对气固传递特性的影响很大【lJ。从20世纪80年代，李静海等【2】开始研究气固反应器层次的介尺度问题，从颗粒聚团现象入手，认为聚团的形成来源于气体和颗粒的各自运动趋势在竞争中的协调，从而建立了能量最小多尺度(Energy．MinimizationMulti．Scale，EMMS)模型，通过EMMS模型计算发现稀相和密相的曳力系数存在几个数量级的差异【3]，而双流体模型对微元网格内部的平均化处理却忽略了该非均匀结构的影响。杨宁等【4】利用EMMS模型考虑了宏观非均匀结构对计算网格的曳力修正，更准确地预测了快速流化床的颗粒

4、夹带量。王维等【5】贝0将该模型拓展到微元网格内，实现每一个网格的两相结构相关修正。鲁波娜等【6】研究发现耦合EMMS曳力的双流体模型具有网格弱相关性，适合粗网格模拟。Zhang等【7l在传统均匀曳力模型前乘以一个系数，以此引入非均匀结构带来的效果。O’Brien等[8】考虑颗粒团的影响，通过实验研究修正均匀结构下的曳力模型。王维等【91通过考虑颗粒团的影响修正了曳力模型，并准确预测了气固流动。除了考虑介尺度结构对曳力系数的影响外，在EMMS模型对结构解析的基础上，王琳娜等[10,11]提出了稳态的多尺度传质模型。董卫钢等[I2’13】进一步将其与CFD耦合实现动

5、态多尺度传质模型，通过引入介尺度结构参数，解释了不同文献中传质系数存在几个量级的差异。李洪钟等[14,15】对快速流化床中传质和传热系数与结构参数之间的定量关系进行了理论分析。王淑彦等[16,171建立了颗粒团传热传质过程的数学模型，研究了奈颗粒聚团的传热传质过程。格子玻尔兹曼方法(1atticeBoltzmannmethod，LBM)是以流体的分子运动论描述为基础发展起来的一种新的介观模拟方法，由于其物理图像清晰、边界处理容易和内在的并行性等优点，己被广泛收稿日期：2016．01．25：修订日期：2016．04—04。作者简介：王利民(1979一)，男，研究员。

6、E-mail：lmwang@ipe．ac．cn。基金项目：国家自然科学基金(91434113，21106155)：中国科学院前沿科学研究重点计划(QYZDB．SSW-SYS029)；国家重点基础研究发展计划(2015CB251402)：中国科学院战略先导科技专项(XDA07080303)资助项目。290化学反应工程与工艺2016年8月应用于流体模拟‘181。Beetstra等‘191利用LBM研究颗粒团聚物对气固相间曳力系数影响，发现团聚物中任意单颗粒的曳力系数小于孤立单颗粒的曳力系数。万韶六等‘201采用LBM对二维颗粒团绕流过程进行了数值模拟，计算得到不同的颗

7、粒聚团构型的曳力系数。张云等㈨利用LBM研究了EMMS中曳力分配方式的合理性。沈志恒等‘221采用LBM研究了提升管内团聚物的曳力系数随团聚物空隙率的变化规律。Shah等[231利用LBM考察了颗粒聚团对曳力的影响。周国峰等【241采用粒子一格子耦合方法进行T-维大规模的颗粒悬浮直接数值模拟，发现基于平均的Wen&Yu公式预测得到曳力远高于直接模拟得到曳力，而且受力方向存在偏差，进一步揭示了气固流动的模拟必须考虑介尺度结构的影响。本工作将采用耦合传质的LBM对二维颗粒团聚物绕流进行数值模拟，利用局部详细的流场和浓度场直接计算传质系数，分析颗粒聚集时，颗粒团聚物局部

8、的流体力学