技术 超临界水循环流化床两相流动特性的数值模拟

  图4给出了距离布风板3.9ｍ处床层的颗粒质量流量的数值模拟结果和实验数据。如图所示，层流、ＥＭＭＳ曳力模型的模拟值与实验数据较为接近，提升管中心处的颗粒质量流量较高而近壁面处的颗粒质量流量较低，由于提升管存在环核结构，说明近壁面处颗粒速度低于中心处的颗粒速度。此外不难发现，近壁面处的颗粒向下运动。近壁面处向下流动的颗粒和提升管中心向上流动的颗粒形成了内循环的流动结构。

  鉴于图3、4的结果，采用层流、ＥＭＭＳ曳力模型对超临界水循环流化床提升管进行数值模拟。

  图5比较了在表观流速均为5.2ｍ˕ｓ-1时的气固循环流化床和超临界水循环流化床提升管距离布风板3.9ｍ处床层的固相密度分布。从图5中能够准确的看出，超临界水循环流化床中的两相流动同样存在环核流动结构。但是在超临界水循环流化床中，中心处和近壁面处的浓度梯度要远小于气固循环流化床。此外，对于相同位置处，超临界水循环流化床中的固相体积分数要小于气固循环流化床，这种差距在近壁面处尤其明显。

  图6比较了在表观流速均为5.2ｍ˕ｓ-1时气固循环流化床和超临界水循环流化床提升管高度3.9ｍ处床层的颗粒质量流量分布。从图6中能够准确的看出，超临界水循环流化床中近壁面处同样存在内循环的流动结构。此外超临界水循环流化床沿径向的颗粒质量流量比气固循环流化床要小，可能是由于超临界水循环流化床中的固相体积分数要更小造成的。

  图7表示在相同的物料循环量下，床层距离布风板3.9ｍ处，不同的表观流速下的固相密度径向分布。从图7能够准确的看出，其他条件不变的情况下，当表观流速逐渐增大时，固体体积分数逐渐减小。这是因为，进口颗粒流量恒定，而单位时间内离开出口的颗粒量也恒定，因而随着表观流速的增加，颗粒的速度也增加，进而时固体体积分数减小。此外，不难发现近壁面处的环形区域变薄，可能是由于表观流速的增加不利于颗粒在近壁面处聚集。

  图8表示在相同的循环量下，床层距离布风板3.9ｍ处不同的表观流速情况下的颗粒轴向速度的径向分布.从图8能够准确的看出，颗粒速度随着表观流速的增大而增大。此外，虽然颗粒速度随着表观流度的增大而增大，但不一样的区域颗粒速度增长的幅度并不相同。提升管中心处颗粒速度增加的幅度要大于近壁面处增加的幅度，即颗粒速度的径向梯度增大。这可能是由于气体速度呈现中心处速度较高而近壁面处速度较低的速度分布规律，气体速度沿径向分布的不均匀导致不同位置的曳力不同，进而时不同位置颗粒速度增加的幅度存在中心高而近壁面处低的差异。

  本文采用数值模拟方法对气固循环流化床提升管以及超临界水循环流化床提升管的颗粒轴向速度、固相体积分数和质量流量等特性进行研究，并得到了表观流速对以上流化特性的影响，结论如下：

  1)气固循环流化床提升管中，ＥＭＭＳ曳力模型模拟结果的准确度要高于Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型，很好地体现了提升管中气固流动的不均勻结构；忽略揣流得到的结果要准确。循环流化床提升管存在中心处颗粒浓度较低、流速较快，而近壁面处颗粒浓度较高、流速较慢的环核结构。

  2)超临界水循环流化床提升管中同样存在着环核流动结构。但超临界水循环流化床中心处和近壁面处的颗粒浓度梯度要远小于气固循环流化床。此外，对于相同径向位置处，固相体积分数要小于气固循环流化床，这种差距在近壁面处尤其明显。

  3)随着表观流速增加，超临界水流化床提升管发生以下变化：床层内固相体积分数减小，近壁面处的环形区域变薄；颗粒轴向速度增大且提升管中心处颗粒速度增加的幅度要大于近壁面处。

  张航,吕友军.超临界水循环流化床两相流动特性的数值模拟[J].工程热物理学报,2018,39(01):127-132.

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