循环流化床内稠密气固两相流动的数值模拟

　　1 引言

　　气固两相流在工业生产中应用广泛，它包括稀疏、中浓度和高浓度的两相流动，对于后两类浓度较高的两相流动(如气力输送、循环流化床内的流动)，颗粒内部的相互作用十分剧烈、复杂，原有的建立在稀疏悬浮流假设基础上的两相流动的模型与算法已不再适合[1,2]。发展稠密两相流动数学模型，对气固两相流的发展具有重大意义。

　　稠密两相流动的数值模拟近年来受到广泛重视，目前的模拟办法多倾向于采用多流体模型，但对于颗粒的复杂变化经历(如物理、化学特性随时间的变化经历)，多流体模型难以描述。因此，许多研究者一直尝试采用轨道模型来研究稠密两相流动。采用轨道模型来研究稠密两相流动的关键在于模拟颗粒之间的相互作用。Lorenco[3]等人采用直接求解带碰撞项的 Boltzmann 方程的方法模拟了水平管道内气固两相流动;B.Oesterle[4]等人提出一种考虑颗粒碰撞的 Lagrangian方法，在轨道计算中考虑环境粒子的影响，加入模拟的颗粒碰撞。Tanaka 和Tsuji[5]采用直接模拟 Monte-Carlo 算法，将颗粒的自由运动与颗粒间的相互碰撞解耦，通过反复计算颗粒的自由运动和颗粒间的相互作用获得颗粒的运动特性。上述方法都能在一定程度上模拟出稠密两相流中颗粒相的分布,能较好地揭示出气固两相局部结构的规律。但由于其研究对象是单个颗粒，受计算量及算法的限制，到目前为止，用轨道模型来研究稠密两相流动还只能用于模拟小尺度物理模型内的流动问题，模拟的颗粒数较少，模拟结果尚不能揭示出稠密气固两相流动宏观整体上的分布规律。对于工程意义上流动特性的稠密两相流动数学模型的研究还有待进行。

　　稠密气固两相流动的一个重要现象就是颗粒团聚，它是气固两相流尤其是稠密两相流动中常见的一种现象，是指部分颗粒在气体 颗粒、颗粒 颗粒间的相互作用下聚集成团，作为一个整体流体团在两相流场中运动(反应)。但同时，此颗粒团又随时可能在气动力、颗粒碰撞的作用下与其他颗粒聚集或破碎成多个小颗粒团。研究稠密两相流动特性,颗粒团聚问题是其关键。文[6]定义了颗粒团聚合力的概念，来表征颗粒所受到的团聚效应，将两相流场分为稀相区和浓相颗粒团。稀相区颗粒以单颗粒的形式存在，体积份数小，是气体为主的连续相，稀相区颗粒的运动采用无滑移模型，并假设颗粒在稀相区是均匀随机分布的。浓相颗粒团由多个颗粒所组成，在模拟中每时间步长内把它作为一个整体，作为流场中的离散相，采用颗粒轨道模型，研究其在床内的形成、运动及破碎经历，本文采用文[6]所提出的算法, 以清华大学煤燃烧国家重点实验室循环流化床排烟脱硫装置为研究对象，数值模拟研究了床内两相流动。