脱硫塔内气固流场数值模拟-稠密颗粒动理学方法.pdf

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1、第32卷第2期东北电力大学学报V01．32．No．22012年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2012文章编号：1005—2992(2012)02—0038—05脱硫塔内气固流场数值模拟一稠密颗粒动理学方法郑建祥，吕太(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：采用大涡模拟和稠密颗粒动理学模型，建立脱硫塔内气固两相双流体模型。数值模拟获得脱硫塔内喷动流化的喷射区、环隙区和喷泉区内颗粒速度和浓度分布。模拟结果表明提高喷口速度有助于喷动床内稳定流化。关键词：脱硫塔；稠密颗粒动理学；数值模拟中图分类号iTK23

2、3文献标识码：A循环流化床烟气脱硫技术，具有造价低、脱硫效率适中、适合机组改造、用水量少，不产生二次废水等优点，已经成为我国优先推广使用的烟气脱硫技术之一。该技术存在脱硫剂利用率低，脱硫塔体负荷适应性不强的缺点⋯。采用内循环喷动流化可以有效解决上述问题J。因此，喷动床内高浓度气固两相流动行为的研究愈显重要。尽管国内外对喷动床内气固两相运动进行了大量实验研究，并取得了一定的进展，但喷动床内气体和颗粒流动特性的数值模拟研究工作却很少I4J。本文基于颗粒动理学理论、引入颗粒相动力一摩擦应力模型，预测喷动床内流体动力行为。模型中采用Johnson．Nott¨5提出的摩擦应力模型考

3、虑颗粒问滚动一滑动摩擦产生的正应力和由Guenther．Syam一／laJ等提出的摩擦剪切粘度模型考虑颗粒间滚动一滑动摩擦产生的切应力，研究喷动床内颗粒间相互作用对气固两相宏观流动特性的影响。数值模拟喷动床内气固流动特性。模拟结果可对脱硫塔结构的，，优化设计提供参考。1数学模型连续性方程(k=g时为气相，k=s时为颗粒相)杀(s)+‘(占)=0，其中，P为k相密度；表示相体积浓度；为相速度；t为时间。气相动量守恒方程击(sgvg)+·(占~vgvg)：一+占g+一()，(2)收稿日期I201l—l1—14基金项目：吉林省科技发展计划项目(201101109)作者简介：郑建

4、祥(1977一)，男，福建省建瓯市人，东北电力大学能源与动力工程学院副教授，博士，主要研究方向：气固两相流动第2期郑建祥等：脱硫塔内气固流场数值模拟一稠密颗粒动理学方法39其中，为气相压力；g为重力加速度；卢为气固相间曳力系数；为气相应力张量。其中气相应力张量为7_=【Vv+()】-(。Vg)，，(3)IXg=／-I,g，1+，(4)其中：。为气体层流动力粘度；为气体湍流动力粘度。假定气体不可压缩，密度为常量。气相湍流采用大涡模拟方法，即对气相大尺度涡直接求解N—S方程，而小尺度涡通过建立SGS湍流模型求解，气相动力粘性系数一c[鬻(+)r，㈩A=(AxzayAz)，(6

5、)其中：C是Smagorinsky常数，取值为0．1；△为网格空间尺度；、为对应的网格坐标分量。固相动量方程(占)+(6sp)=一s。JPg+8spg+。。+3(vg一)，(7)d假设颗粒应力张量为动力应力张量r和滚动一滑动摩擦应力张量r，之和，即r=下+，，(8)采用GuentherSyamlal等提出的滚动一滑动摩擦切应力模型，和滚动一滑动摩擦剪切粘度№i。之和，即／1,。=i+i。可表示为=p,dg㈦+[1+圳+F，——————=——兰竺————————一，(9)(一)√吉[(D。。一D)+(D。)+(D)]+÷(D。+D21)其中：d为颗粒直径；e为颗粒弹性恢复系

6、数；g。为径向分布函数；D为应变率；⋯和⋯分别为填充颗粒浓度和临界颗粒浓度；n和P分别为与颗粒材料物性有关的经验系数；为内摩擦角，对于玻璃珠颗粒参数n、P和分别为2．0、5．0和28．5。。颗粒压力P表示由于颗粒非弹性碰撞等相互作用产生的正应力。在高颗粒浓度下颗粒压力除了考虑颗粒碰撞产生的动力应力外，还需要考虑颗粒滚动一滑动磨擦作用的贡献。动力应力分量由颗粒动理学确定，颗粒间滚动一滑动磨擦产生的正应力按Johnson．NottⅢ5提出的滚动一滑动摩擦应力模型计算。则颗粒压力可表示为P=[1+2g0(t+e)]6sp0+-r(占一．min)(8s,一一)’(10)其中：n为

7、与颗粒材料物性有关的经验系数。对于玻璃珠颗粒参数n为0．05。方程(8)和(9)中为颗粒温度，定义为0=C／3，其中，c为颗粒脉动速度。颗粒温度可按固相脉动能量守恒方程确定为寺【杀(sP)+‘(P0v)j=X7·()一一3，(11)其中：k为固相脉动能量传递系数；为颗粒碰撞能量耗散率。颗粒碰撞能量耗散率：东北电力大学学报第32卷3(1_e[丢一了1OU,+，(12)固相脉动能量传递系数：[1+(1+n22(1+e)，(13)其中：g。径向分布函数按下式计算：：[1一(旦)∽]-1，(14)占．m8x相间动量交换系数按下式计算：