【往年优秀论文赏析】气固流化床CFD 模拟曳力模型的选用及验证

标题：气固两相流化床多相流模拟中的曳力模型选择及其对流动状态的影响研究


摘要:

本文聚焦于清华大学化工系在一项代表国内最前沿水平的新奥集团煤基低碳能源国家重点实验室的冷态模拟装置建设项目中进行的创新性研究。项目采用了FLUENT软件进行全面的流体力学分析，旨在考察不同曳力模型——尤其是修正后的SyamlalO，brien模型与Gidaspow模型——在气固两相流化床系统中的比拟效用，并通过与冷态实验结果的对比验证模型的适宜性与合理性。研究发现，修正的SyamlalO，brien曳力模型在模拟流场时表现更接近实际实验现象，特别是对于描述最小流化速度、床层压力变化以及预测膨胀高度等因素时，显示了更为优越的性能。




前言:

计算流体力学（CFD）在当代工程科学中占据了核心位置，尤其是在多相流模拟领域的广泛应用，是实现高效设计、预测和优化复杂系统性能的至关重要手段。通过构建激气化炉流体力学模型，CFD技术可以揭示气体与颗粒之间的分布及流动规律，为颗粒和气体流体流动现象对于煤粒化学反应的影响提供有效的理论支持。主要用于模拟的三大模型分别为欧拉—欧拉拟流体模型和欧拉—拉格朗日离散相模型，然而在大规模气固多相流模拟中，由于计算资源的限制，多采用欧拉—欧拉拟流体模型，这是一种将离散固体颗粒组看作连续介质的幻想流体假设方法，使得颗粒拥有与气体相似的动力学特性，并能够用相同的流体力学守恒方程进行描述。

移动界面模型中的曳力，是衡量气固两相间相互作用强度、动量交换的关键参数，其准确性直接关系到双流体模拟的整体正确性。气固曳力模型的选择需综合考虑模型的封闭方法以及模型有效性，大部分研究倾向于采用kε模型等湍流效应模型。主论述中，我们采用FLUENT软件作为主要流体模拟工具，内部共有三种典型的气固曳力模型：SyamlalO，brien，Wen&Yu，以及Gidaspow模型。SyamlalO，brien模型依据流化床或沉淀床颗粒末端速度测量的数据，通过体积分数和相对雷诺数关系式进行实现，适用于气固系统。修正后的SyamlalO，brien模型在此基础上进行了参数修正，更符合实际工程需求。此外，Wen&Yu模型专用于描述稀相气固流化体系，而Gidaspow模型则为Wen&Yu模型和Ergun方程的结合，适用于密相气固流化床，标志着在流化状态影响下的深层次探索与建模。

实验设备与方法:

我们利用新奥集团在煤基低碳能源国家重点室开发的流态化冷态模拟装置，构建了相应的几何模型，其内径为286mm，高度为4000mm，采用了锥形分布板。在网格模型中，进行了六面体网格的划分，确保模拟的有效性和精确性。实验的关键在于采用修正后的SyamlalO，brien模型与Gidaspow模型，通过对比它们在不同操作条件下的表现，深入了解曳力模型对流化床流动状态的影响。

结果与讨论:

构建了气固流化床几何模型及网格模型，以拟压力降来作为研究基准，开展了具有严谨一致性与复制性实验。首先筛选曳力模型，对比并结合实际观察现象来决定模型类型。对比实验与模拟结果的跨模型比较展现出，修正后的SyamlalO，brien模型在流场结构的描述中进一步逼近了实际冷态试验的现象。

通过对最小流化速度、床层压降、床层膨胀高度等多个关键因素进行量化分析，验证了曳力模型选择的合理性。模拟值与实验值的误差仅为3.18%，直观地体现了模型的适应性。综合这三项关键指标，得出了CFD模拟结果与冷态实验结果相一致的判断，从流动的机械参数层面确认了修正后的SyamlalO，brien模型对模型选择的有效性给予了肯定的反馈。