第１１卷第１期 ２０１３年２月 中国工程机械学报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ ２０１３
基于流态化技术的振动流化床气固两相流动分析
朱亮，柳洪义，原培新
（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳１１０８１９）
摘要：在对基于流态化技术的振动流化床气固两相流动的欧拉（Ｅｕｌｅｒ）方法的双流体模型研究的基础上，利用专 业流体力学分析软件Ｆｌｕｅｎｔ对褐煤颗粒床层进行数值模拟．研究振动、风速、褐煤颗粒粒度等参数对振动流化床 床层中褐煤颗粒均匀流化的影响．实验结果表明：振动及气流的交互作用，可有效抑制褐煤颗粒在床层中的返混 现象，使得振动流化床褐煤颗粒干燥均匀；选择双流体模型，将Ｆｌｕｅｎｔ用于振动流化床气固两相流动数值模拟， 是一种行之有效的数值模拟方法．
关键词：振动流化床；气固两相流动；Ｆｌｕｅｎｔ；均匀性；数值模拟 中图分类号：ＴＨ ２３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—５５８１（２０１３）０１—０００１—０５
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｓ－－ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ－－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｗｉｔｈ ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＺＨＵＬｉａｎｇ，ＬＩＵＨｏｎｇ－ｙｉ，ＹＵＡＮＰｅｉ—ｘｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ
ｗｉｔｈ ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｎｉｔｅ ｇｒａｎｕｌｅ ｂｅｄ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦｌｕｅｎｔＴＭ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｉｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｌｉｇｎｉｔｅ ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ
ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｌｉｇｎｉｔｅ ｇｒａｎｕｌｅ’Ｓ ｕｎｉｆｏｒｍ ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｃａｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｍｉｘｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｎｉｔｅ ｇｒａｎｕｌｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，
ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇｎｉｔｅ ｇｒａｎｕｌｅ ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ ｄｒｙ．Ｉｔ’Ｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｉｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｂｙ ＦｌｕｅｎＣⅢｗｉｔｈ ｔｗｏ．ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ；ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；Ｆｌｕｅｎｔ；ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
褐煤是地球上分布最广泛的能源之一，是重要 的能源和化工原料，我国的褐煤资源也比较丰富，
目前已探明储量达１ ３０３亿ｔ．但因为存在含水量
高（２５％～５０％），热值低等缺点，导致其市场价格 较低，利用率低下，不仅浪费运力，且形成大量的燃 烧废渣和由燃烧不充分所导致的空气污染．如将褐
煤进行干燥并控制水分，就可以提升煤质（热值提 升至１４ ０００￣２０ ０００ ｋＪ），大大提高褐煤的市场用
量和经济效益． 褐煤的干燥设备有滚筒干燥机、气流干燥机、
流态化干燥机等多种类型．而振动流态化技术是将
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１０５０６４） 作者简介：朱亮（１９８１一），男，博士生，Ｅ．ｍａｉｌ：ｎｅｕｐｈｄ＠１６３．ｃｏｒｎ 振动能量引入到普通流化床中，通过振动的加入使 床层达到良好的流化状态的一种气固流态化技术，
是目前国内褐煤干燥中最先进的也是最有发展前 景的技术．因此，研究振动、风速、褐煤颗粒粒度等
参数对振动流化床床层流态化的影响，对于开发大 型振动流化干燥系统具有重要的意义．
本文根据Ｅｕｌｅｒ方法的双流体模型理论建立描 述振动流化床气固两相流动的基本方程组，并在此
基础上，建立振动流化床气固两相流动的动力学模
型．采用专业的流体力学分析软件Ｆｌｕｅｎｔ，通过用
户白定义函数（ＵＤＦ）编程加入振动作用对床层的 中国工程机械学报 第１１卷
影响，对褐煤颗粒床层进行数值模拟，通过对模拟
结果进行对比分析，最终得出具有有效性和实用性 的结论．
１振动流化床气固两相流动的数学
模型
１．１气固两相双流体模型基本方程
Ｅｕｌｅｒ法的双流体模型能够较好地解决流化床 中气固两相的流动问题，因此本文从振动流化床气
固两相流动的物理本质着手，在双流体模型的基础 上，建立振动流化床气固两相流动的数学模型－１］．
气固两相的连续性方程
气相：
（ａｇ１０ｇ）＋Ｖ（ＯｔｇＰｇ“ｇ）＝０ （１）
固相：
（６ｆ ｓＰ。）＋Ｖ（ａ。Ｐ。Ｕ。）＝０ （２） ０ ｂ 式（１），（２）中：ａ ，ａ。分别为气固两相的体积分数；
Ｖ为哈密顿算子；Ｕ ，Ⅱ。分别为气固两相的运动速 度；ｌ０ ，ｌ０。分别为气固两相的密度．
气固两相动量方程 由于气固两相间的升力和虚拟质量力相对于
两相间的曳力来讲很小，可以忽略不计，因此气固 两相流动的连续性方程和动量方程可简化为以下
形式．
气相：
（ ｇＪＤｇｎｇ）＋Ｖ（ａｇｌ０ｇｌｌｇ，ｉｎｇ）： Ｕ Ｄ —ｄｇ Ｖ Ｐ＋Ｖ ｇ＋Ｐ（ｕｇ—Ｕｓ）＋Ｏ／ｇＩＤｇｇ （３） 式中： 为气相在 方向和Ｙ方向的运动速度，
ｉ： ，Ｙ；Ｐ为颗粒压力； 为气相的剪切应力张 量； 为气固两相问交换系数；９为体积分数． 固相：
（ａ ｌＤ。Ｕ ）＋Ｖ（ａ １０。ｌｌ。，ｉＵ ）＝ ０
。Ｖ Ｐ＋Ｖｖｓ＋ＯｒｓｌＤ。（Ｆ ＋ｇ）＋ （ 。一Ｕｇ）
（４） 式中： 为固相在 方向和 方向的运动速度，
ｉ＝ ，Ｙ； 。为固相的剪切应力张量；Ｆ 为振动流
化床激振力． １．２曳力系数模型
气固两相间作用的曳力模型大致有三种：一种
是根据实验数据关联所得到的经验或半经验模型， 如Ｇｉｄａｓｐｏｗ模型 ，Ｓｙａｍｌａｌ—Ｏ＇Ｂｒｉｅｎ模型 。 ；另一 种是基于气固相作用的理论，通过纯数学方法推导
出的模型，如Ｋｏｃｈ Ｈｉｌｌ模型［ ；第三种是对经验或
半经验模型进行修正的模型，如修正的Ｓｙａｍｌａｌ— ＯＢｒｉｅｎ模型 ，ＭｃＫｅｅｎ模型 ．Ｇｉｄａｓｐｏｗ模型分
别就气相体积份额的不同给出相应的气固两相间 的曳力系数，有较广泛的运用范围，因此对于密集
的气固流化床，相间曳力系数一般采用Ｇｉｄａｓｐｏｗ
模型．本文即选择Ｇｉｄａｓｐｏｗ模型，具体形式如下： 当Ｏｔ ｇ＞０．８时，气固两相间交换系数 为
Ｊ９＝ ｃ。 ｅｓ（５）
式中：Ｃｏ为曳力系数；ｄ。为颗粒直径．
当ａ ≤０．８时，气固两相间的交换系数为
：１５０坠 ＋１．７５ 二 ａ＇ｇ Ｓ Ⅱ （６） 曳力系数为
ｌ Ｚ４［１＋０・１５（ＯｆｇＲｅ） ］
ｃ。 ｛０．４４， （ａ Ｒ ＜１ ０００） （７） ｌ
０．４４， （ ：Ｒｅ≥１ ０００）
式中：Ｒｅ为雷诺数，Ｒｅ＝ ｝ ｓｌ＿． Ｕｇ １．３激振力的确定 肖帅刚等［７ 测量了振动流化床中床层对分布
板的作用力．当床层流化时，测得分布板与床层之
问存在着连续的弹性作用，提出了分布板与床层问 的弹性作用模型．模型中忽略颗粒床层内部轴径向
的弹性差异，将弹性床层视为一个质量为ｍ、弹性 系数为 、阻尼系数为Ｃ的单自由度均匀弹性体，
如图１所示．
＿－－－－ －－●－● ●＿●●－ －－●－－ ・．ｍ ＿＿ ＿ ＿＿－－－ ●＿●－＿ 睾 Ｉｙ
Ｉ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌ Ｉ Ｊ ｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ
ｙ＝Ａｓｉｎ Ｃｏｔ
图１振动流化床床层弹性模型示意图 Ｆｉｇ．１ Ｖｉｂｒａｔｅｄ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ’ｓ ｂｅｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅ１
分布板的运动方程为
Ｙ＝Ａｓｉｎｗｔ （８）
第１期 朱亮，等：基于流态化技术的振动流化床气固两相流动分析 ３
式中：？，为分布板的位移；Ａ为振幅；∞为振动的频
率；ｔ为振动的时间．
取重力作用下的床层状态为平衡状态，不考虑 流化床侧壁对床层的摩擦力，床层的受力为床层形
变的弹性力和床层的阻尼力，则弹性床层的运动方 程为
ｍｙ＝一ｋ（Ｙ—Ｙ１）一Ｃ（Ｙ—ｙｉ） （９） 式中： 为床层离开平衡状态的位移． 求解方程（９），可得流化床稳态解为
Ｙ＝Ａ√ ｓｉｎ（ ）
（１０）
式中： 为量纲一阻尼系数， ：ｃ／（２、，／ｍ ）；
为频率比， ＝∞ ／ｋ； 为相角， ＝
． ２ ３ ａｒｃ切ｎ ’
所以，分布板的受力Ｆ为
Ｆ＝ｍ ：一ｍＡｙｏ √ ・
ｓｉｎ（ｏ￣ｔ一 ） （１１） ｍ＝ＢＬＨｏ（１一￡０）ｌＤ。 （１２） 式中：Ｂ为床体的宽度；Ｌ为床体的长度；Ｈ。为床 层的初始高度；ｅ。为床层的初始空隙率．
２数值求解方法和物理参数的确定
２．１数值求解方法 本文采用专业流体力学分析软件Ｆｌｕｅｎｔ，并选
取Ｅｕｌｅｒ双流体模型和气固两相流动的 一ｅ湍流模 型．考虑模型中的振动作用，设定床体为正弦运动，
网格划分为动态的层铺网格，且采用一阶迎风格 式嘲的离散方法和压力一速度耦合的ＳＩＭＰＬＥ算 法［９］进行迭代求解．
流化床的风由布风板底部吹入床体的，且一开
始设定流化床入口处的气流速度为固定值，因此确 定布风板气孔为速度人口型边界．而对床体壁面没 有特殊要求，因此定义为壁面型边界．由于在正常
工况下褐煤颗粒很难达到床体上部，并且在边界出
口处有确定的静压，因此确定床体上部为压力出口 型边界． ２．２物理参数的确定 本文所研究的振动流化床，其主体部分尺寸： 床体长度为１９ ｍ，床体宽为３．６ ｍ，褐煤流化腔体
高为３ ｍ，褐煤床层初始高度为０．２４ ｍ．整个干燥
系统的工艺流程如图２所示． 图２ １５０ ｔ・ｈ－１褐煤干燥系统工艺流程图 Ｆｉｇ．２ １５０ ｔ・ｈ一 Ｌｉｇｎｉｔｅ ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ
根据已知条件的计算和相关物理模型的选择， 可得振动流化床气固两相流动在Ｆｌｕｅｎｔ中实现数
值模拟所需要的物理参数，如表１所示．
表１模型中的参数及初始值 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｍｏｄｅｌ
３数值模拟结果及分析
３．１振动对床层流化均匀性的影响
通过改变不同参数的大小如风速、振动频率等 来对流化状态进行测试，得出相关的模拟结果．图３
中，在不加振动时，普通流化床的气固两相流动杂
乱无章，多处出现体积大且形状不规则的气泡．床 层扰动非常剧烈，气固两相流动也非常不稳定．
从图４的压力等势线图中也可以看出，在不加 振动时，等压线波动很大，床层压降分布不均匀，说
明床层内气固两相流动杂乱而且扰动大．