k-ε-Ap两相湍流模型用于模拟悬浮床两相流动

　　为降低循环床脱硫的流动阻力,可以将传统的布风板改为大孔射流板,直接将含灰烟气射入反应塔内形成悬浮床。入口结构改进后的效果及进一步优化的方向需要通过对反应塔内气固两相流动特性进行研究后才能确定。目前塔内的气固两相流动特性已经有实验研究结果可供参考[1]。为了克服实验研究条件的局限性,更深入地了解条件变化对反应塔内气固两相流动特性的影响,有必要对射流悬浮床内的气固两相流特性进行数值模拟。通过数值模拟正确预报塔内的两相速度与两相速度脉动的分布,对于进一步了解流动、改善气固两相流场与两相间的混合情况、进行反应器的优化设计具有重要意义。

　　本文在简化条件下,采用欧拉坐标系中多流体模型对气固流动中颗粒相加以描述[2、3],对于气相与颗粒相的湍流特性则分别采用气相湍流的kε模型[4]及颗粒湍流代数模型[5]加以描述。在此基础上,对底部向上射流悬浮床内的气固两相流动进行数值模拟研究。

　　1　模拟对象及数学模型

　　底部向上射流反应塔的几何结构见图1。反应塔主体是1个突扩方腔,颗粒随气流以速度W0射入方腔内形成回流三维气固两相流动。由于所研究的流动在理论上对Z轴具有结构上的对称性,因而选择图1中阴影部分的半截面作为计算截面,利用二维模型模拟三维流动。计算面的几何参数为:L=1 300 mm,R=125 mm,D/2=250 mm。所研究的4种工况中床内表观气速分别为:1.3 m/s,1.7 m/s,2.1 m/s,2.7 m/s。计算模拟平均直径为40μm的玻璃球,域颗粒的平均浓度为50 g/m3。

　　研究对象为稳定流动,在模型方程中舍去时间项。依据稀疏颗粒相的特点,不考虑两相间容积分数的耦合、颗粒相的分压及颗粒间的碰撞。对气相湍流特性采用kε两方程描述,由此得到气相时均控制方程组的通用形式为:

　　x、z为径向与轴向坐标,u、w为相应的气相速度分量,Φ、ΓΦ、SΦ和SpΦ为通用变量,具体表达式见表1。

　　其中:= x,z)是颗粒与气体的相互作用力;σk、σε分别为气相湍动能和耗散率方程中的湍流Schmidt数。

　　两相流中稀疏颗粒群采用拟连续介质的描述方法,经体平均后可以得到颗粒相的瞬时连续方程和动量方程。将瞬时方程时平均化,对体现颗粒相湍流动量与质量输运的脉动关联项,类似于对气相湍流的处理,引入颗粒湍流粘性系数与扩散系数的概念进行梯度模拟,由此得到颗粒相时均控制方程组的通用形式:

　　其中,up、wp为颗粒相径向与轴向速度分量,Φp、ΓΦp、SΦp和SpΦp为通用变量,具体表达式见表2。