液固外循環流化床內噴嘴對流場影響的數值模擬

劉 燕，陳赫宇，周千淅，張少峰，王 智

（1.河北工業大學 海洋科學與工程學院，天津 300130；2.河北工業大學 化工學院，天津 300130；3.天津大學 化工學院，天津 300072）

液固外循環流化床內噴嘴對流場影響的數值模擬

劉 燕1，陳赫宇2，周千淅3，張少峰1，王 智2

（1.河北工業大學 海洋科學與工程學院，天津 300130；2.河北工業大學 化工學院，天津 300130；3.天津大學 化工學院，天津 300072）

噴嘴是影響液固外循環流化床內顆粒循環的關鍵部件．應用STAR CCM+軟件，基于Realizable-湍流模型和壁面函數法，采用SIMPLE算法對壓力和速度場進行耦合求解，討論了噴嘴位置與口徑比對速度、壓力、湍動能以及渦強分布規律的影響．結果表明，噴嘴口徑比是影響壓力、射流中心速度、阻力大小的關鍵因素，當噴嘴口徑比為0.375時，壓降最小，且阻力較小，利于流體循環．流體經噴嘴噴出后，因射流區速度梯度較大而產生剪切力，形成渦旋，當噴嘴安裝位置為0mm時，渦旋達到最大，卷吸力最強．

STARCCM+；外循環流化床；噴嘴；口徑比；數值模擬

0 引言

流化床技術已廣泛應用于化工、機械、原子能源、材料制備、冶煉金屬、環保工業、污水處理等諸多領域[1-4]，而循環流化床換熱器在化工行業中的應用尤為突出．在傳熱的過程中，換熱設備接觸表面一般都會引起不同程度的結垢現象，其中對涉及蒸發工藝的加熱過程影響較為嚴重，例如制鹽、制糖、造紙等工業過程，壁面結垢后會大幅度消減傳熱效果，明顯增加能耗，導致質量以及產量下降，有時甚至導致設備無法正常運轉．張利斌等[5]通過在蒸發管內安裝幾組可做往復運動的彈簧用來除垢，但在換熱器中主要是運用加入固體顆粒的方式來除垢，顆粒隨著液體的運動而運動，運動過程中顆粒與換熱器管壁發生碰撞，從而使管壁上堆積黏附的污垢松動后隨著流體一起排出管箱，可以看出顆粒的流動狀態以及顆粒的分布就顯得尤為重要，顆粒能否正常循環，壓降等是重要的影響因素．由于設備運行時換熱管箱的阻力過大，導致壓降較大，動力不足，嚴重影響了設備的正常運行，所以在三通管處加入噴嘴，噴嘴的安裝位置以及口徑比對流場都會有影響，合理的安裝位置以及口徑比，可使噴嘴本身造成的壓降較小，同時噴嘴對下降段水流的卷吸力最大，王利文等[6]在超音速粉碎噴嘴模擬中得到了噴嘴出口速度以及壓力的曲線變化圖，探究了噴嘴入口直徑對其的影響，林正剛等[7]對同軸雙剪切噴嘴進行模擬，對同軸雙剪切噴嘴進行設計改進，探究對其燃燒率的影響，孫艷琦等[8]采用文丘里管路結構，起到噴嘴作用，對其結構進行改進．但是在液固外循環流化床中，對設備中加入噴嘴的研究很少．為了進一步了解設備內流場分布，本文研究在循環流化床內加入噴嘴后，對流場的影響進行模擬研究．

1 液固外循環流化床系統

河北工業大學多相流課題組對液固外循環流化床中噴嘴對床內顆粒循環特性的影響進行了實驗研究[9]，實驗裝置如圖1所示．其工作原理為：水泵2從儲水槽1中吸水，水流經轉子流量計3后，在噴嘴4處與顆粒收集筒11中下降的剛玉球顆粒混合，流入換熱器換熱管8下管箱5，經換熱器換熱管，從換熱器上管箱中流入旋流分離器10內進行液固分離，剛玉球顆粒由旋流器底循環下降段進入顆粒收集筒11，水由旋流器溢流管排出進入儲水槽1，實現水的再循環使用．噴嘴是整個工作系統的關鍵部件，噴嘴對下降管段的卷吸力與噴嘴前后的壓降變化，是考察噴嘴最佳結構以及最佳安裝位置的重要參考指標．圖中d為管道直徑，D為噴嘴出口直徑，L為噴嘴安裝距離．

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimentalapparatus

文獻 [10]的實驗結果表明，噴嘴出口壓力變化對噴嘴吸入剛玉球的能力有重要影響，由于實驗手段的限制，實驗數據的精確度不高．實驗中采取的測壓方式，如圖2所示，噴嘴出口壓力采用探測管測量，噴嘴出口共布置6個測壓孔，通過插入探測管測量壓力，由于管道直徑小，探測管本身對管道內流場影響極大，因此所測實驗數據變化趨勢正確，數據的精確性差．為彌補實驗的不足，本文采取數值模擬的方式模擬噴嘴處流場變化規律．

圖2 實驗測壓點示意圖Fig.2 The schematic diagram of the pressure points

2 幾何模型

噴嘴計算區域幾何模型如圖3所示，噴嘴全長185 mm．運用多面體網格包裹幾何模型以及棱柱層網格處理邊界層的方法，使其形成離散化網格，噴嘴處局部體網格如圖4所示，體網格數目為21 238 990．噴嘴口徑比為D/d，噴嘴的安裝距離定為L，把下降段左側邊緣作為安裝0點， 20、 10、0、10點的位置見圖4，往X軸正方向為正，反之為負方向．

圖3 幾何模型示意圖Fig.3 Geometrymodel of apparatus

圖4 噴嘴網格模型示意圖Fig.4 Meshmodel of nozzle

3 控制方程與邊界條件

3.1 控制方程

流體運動的控制方程為[11]：

其中：t為時間；ui，xi為速度分量以及坐標分量；為密度以及分子黏性系數；為修正壓力；為紊流黏性系數．

3.2 邊界條件

邊界條件設置見表1，因旋流器溢流水直接進入儲水槽，所以溢流管出口給定壓力邊界條件，水平管進口及旋流器切向進口根據實驗數據設定；對于水平管出口，假定管足夠長，噴嘴對其流場影響可忽略，因此水平管出口也設定為壓力邊界條件，流體介質為純水，密度為997.561 kg/m3，重力加速度為9.81m/s2，方向向下．

表1 邊界條件參數設置Tab.1 Parameter setting of boundary conditions

3.3 模擬算法

本文應用STARCCM+進行模擬，基于有限體積法對求解區域進行離散，速度和壓力的耦合采用Simple算法對場內壓力和速度進行耦合求解，動量方程采用一階迎風差分格式進行離散，湍流模型采用標準Realizable湍流模型以及壁面函數法．

4 結果分析與討論

本文考慮3個口徑比D/d=0.35、0.375、0.4，4個噴嘴安裝位置L=0mm、10mm、 10mm、 20 mm．著重分析不同幾何設置下壓力、速度、湍動能以及渦量等物理量的變化規律．從噴嘴斷面沿噴嘴中心坐標軸線，均勻布置了15個監測點，如圖5所示．

圖5 模擬測壓點示意圖Fig.5 The schematic diagram of the pressure points

4.1 噴嘴安裝位置對流場的影響

噴嘴的不同安裝位置對速度、湍動能、渦量、壓降都有影響，但出于簡化考慮，本文暫不涉及對壓降的分析．

4.1.1 噴嘴安裝位置對速度的影響

噴嘴直徑為15mm，口徑比0.375．噴嘴安裝位置為0mm、10mm、 10mm、 20mm時．安裝距離與各點速度變化關系曲線如圖6所示，因為噴嘴射流發生在中心軸處，沿軸向速度變化較大，故沿在中心線設置監測點．圖6正坐標為水平管的來流方向，負坐標為水平管的出流方向，噴嘴出口處為0坐標點．由圖可知，在水流進入噴嘴錐段后開始逐漸加速，在噴嘴噴出口處速度達到最大值，水流噴出后速度逐漸變小，趨近于來流速度，當安裝位置為 20mm的時候，流速度變小的趨勢最慢，當距噴嘴出口250mm處，4個安裝位置的點速度基本一致，由于管道較細，管道邊界摩擦阻力較大，需要較多的能量來克服粘滯阻力，因此速度急劇下降，也就是說噴嘴的影響范圍在逐漸消失，以最大速度15.13m/s作為基準，從圖6中可以看出，流速在噴嘴后10 mm內的變化規律極為明顯，所以取距離為 100 mm的4個安裝位置的速度值，觀察總的速度變化率，用 100 mm位置的速度值與最大速度作比較，當噴嘴安裝位置為 20 mm時V20/Vmax=0.75，當噴嘴安裝位置為 10mm時，V20/Vmax=0.64，相差11%．理論上講，速度變化值越緩慢越好，代表噴嘴的噴射影響距離越遠．

4.1.2 噴嘴安裝位置對湍動能的影響

圖6 各點速度隨噴嘴安裝位置變化圖Fig.6 Velocity values in differentNozzlemounting position

圖7 各點湍動能隨噴嘴安裝位置的變化圖Fig.7 Turbulentkinetic energy values in different Nozzle position

圖7為不同安裝位置下湍動能的變化曲線圖，可以看出水流由噴嘴進口至出口，湍動能變化緩慢，從噴嘴噴出以后湍動能逐漸加大，在大約150mm處湍動能達到了最大，隨后又逐漸減小．因為水流剛由噴嘴噴出，噴嘴中心射流速度比較穩定，但隨流動距離延長，受邊壁阻力以及噴嘴影響范圍的制約，中心射流速度開始變得不穩定，形成了湍流剪切力，湍動能迅速增到最大，隨后迅速下降，由于來流動能的消耗，動力不足，中心射流區逐漸消失，最終變為在管路內的層流流動，湍動能將下降到一個穩定的平衡值，以很小的波動上下浮動．由圖看出當安裝位置為0mm與10mm時，湍動能在水流離開噴嘴處最先變化，這是因為下降段的來流速度對湍動能有不同程度的干擾，其中噴嘴安裝位置為0mm與10mm時干擾較強，在大約130mm處，噴嘴安裝位置為0mm與10mm處湍動能遠比其它兩個安裝位置要高，說明噴嘴的安裝位置對下降管段的來流速度有影響，來流速度越大，對水平管水流的剪切力越大，湍動能變化也就越大，湍動能的加大，更有利于水流的正常循環，也有利于打散水流中的顆粒，能達到噴嘴前方管壁防除垢的效果，以免存留污垢阻礙噴嘴前射流速度．

4.1.3 噴嘴安裝位置對渦量的影響

圖8為同一口徑比，不同安裝位置下，水流由噴嘴剛噴出那一刻起，由于負壓的逐漸增大，在噴嘴出口上下兩側貼近管壁處形成了渦旋的云圖．由圖可知，中心射流速度較大，在周圍流場形成一個極強的切應力，沿管壁出現速度梯度，產生漩渦，由中心射流區作為中心線將上下兩個渦旋分開．從圖中可以看出當噴嘴安裝位置為0 mm與10 mm時，渦旋的影響距離稍微短一些，相對來說安裝位置為10 mm時，上渦旋要比下渦旋大，說明噴嘴對下降段的卷吸力較強，安裝位置為0 mm時，旋渦影響距離比噴嘴安裝位置10 mm時長，而且射流中心區較長，利于循環．當噴嘴安裝位置為 10mm與 20mm時，渦旋的影響距離差距較小，當噴嘴安裝位置為 20 mm時，上下渦旋看起來并不對稱，由于中心射流區速度較大，導致下渦旋主要流量來自于水平管來流，上渦旋流量更多來自于噴嘴前產生負壓形成渦旋對下降管段水流的卷吸作用，從云圖中可看出安裝位置為 20 mm時，上渦旋明顯影響范圍更大，渦強較大，這說明噴嘴對下降段的卷吸力更強一些，但是中心射流區較短，且射流區向外擴散．

圖8 噴嘴不同安裝位置下的渦旋云圖Fig.8 Contour diagram of air eddy values in different Nozzle location

4.2 口徑比對流場的影響噴嘴的不同口徑比，對壓降和渦量的影響較大，而對速度、湍動能的影響較小，因此主要考慮壓降和渦量的影響．

4.2.1 噴嘴口徑比對壓降的影響

圖9為噴嘴安裝位置在10 mm處，口徑比分別為0.35、0.375、0.4時壓降變化曲線，由圖10可看到，口徑比為0.35時，水流剛進入噴嘴收縮段后，壓力明顯最大，而口徑比為0.4時，壓力明顯最小，這是因為口徑比越小，噴嘴本身所造成的阻力就越大，水流沿管道經過噴嘴噴出，負壓逐漸增大，同時又可看出口徑比越小產生的負壓值越大，同時噴嘴前后的壓力降也就增大了，不難看出當口徑比為0.375，噴嘴出口直接為15 mm時，噴嘴阻力較小，而且壓降變化值逐漸減小，更有利于水流的循環．

圖9 各點壓降隨口徑比不同的變化值Fig.9 Pressure values in different Nozzle caliber

4.2.2 噴嘴口徑比對渦量的影響

圖10為噴嘴安裝位置在10mm處不同口徑比下的渦量云圖，可以看到，坐標軸上限設定為2 000/s，口徑比為0.35時，噴嘴出口處有一塊空白，空白區域比2 000/s大，渦量更強一些，在口徑比0.4時渦量最小，觀察渦形看出，口徑比為0.375時，渦形較為均勻，上下對稱，且渦量適中．

圖10 噴嘴不同口徑比下的渦旋云圖Fig.10 Contour diagram of air eddy values in differentNozzle caliber

5 結論

通過對液固外循環流化床下降管段的模擬分析，得出結論如下：

2）水流經噴嘴射出后形成渦旋，渦旋對下降管段產生卷吸力，噴嘴的安裝位置是影響卷吸力大小的重要因素．當噴嘴安裝位置為0mm位置處時循環效果最佳，速度變化率較為適中，渦量能產生較大程度的卷吸力，對下降段流體的循環很有利．

[1]賈麗云，李修倫，劉姝紅，等．液固循環流化床兩相流動模型 [J]．化工學報，2000，51（4）：531-534．

[2]姜峰，賈麗云，劉明言，等．液固循環流化床換熱器中固體顆粒分布 [J]．化學工程，2004，32（1）：17-22．

[3]劉燕，王琦，趙斌，等．液固循環流化床換熱器中顆粒分布板分布性能的實驗研究 [J]．河北工業大學學報，2006，35（6）：18-24．

[4]Pronk P，Infante FerreiraCA，W itkamp G J．Prevention of fouling and scaling in stationary and circulating liquid-solid fluidized bed heatexchangers: Particle impactmeasurementsand analysis[J]．International Journal of Heatand Mass Transfer，2009，52（15）：3857-3868．

[5]張利斌，張金鐘，李修倫．多想流流化床換熱器研究進展 [J]．現代化工，2001，21（2）：17-19．

[6]王利文，潘家禎，王子剛，等．超音速氣流粉碎噴嘴數值模擬 [J]．力學與實踐，2009，31（2）：12-17．

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[8]孫艷琦，牛文全．文丘里管結構參數對其水利性能的影響 [J]．西北農林科技大學學報 [J]．2010，38（2）：8-11．

[9]張少峰，沈志遠，魏建明．噴嘴對液固外循環流化床內顆粒循環特性的影響 [J]．火炸藥學報，2009，32（1）：83-86．

[10]張少峰，魏建明，劉燕．噴嘴對液固外循環流化床內含固體積分數的影響 [J]．化學工程，2008，36（5）：20-24．

[11]王福軍．計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用 [M]．北京：清華大學出版社，2004．

[12]徐繼潤，羅茜．水力旋流器流場理論分析 [M]．北京：科學出版社，1998．

[責任編輯 田 豐]

Numerical simulation of flow field affected by the nozzle in the liquid-solid exterior circulating fluidized bed

LIU Yan1，CHEN Heyu2，ZHOU Qianxi3，ZHANG Shaofeng1，WANG Zhi2

(1.School of Marine Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.School of Chem ical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;3.School of Chem ical Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300072,China)

The nozzle is a key componentaffecting the particles circulation in liquid-solid exterior circulating fluidized bed.STAR CCM+software,realizable-turbulencemodel and wall function were used,the pressure and speed were coupling solved by using SIMPLE algorithm.The influences of differentnozzle positions and diameter ratios on the distribution of velocity,pressure,turbulence kinetic energy and vorticity were obtained.Results indicate that the diameter ratiowas the key factorwhich affected pressuredrop,jetspeed at the centerand resistance.When theaperture ratio ofnozzlewas0.375,the pressurewas the smallestand the resistancewas the lowest,itimproved fluid circulation. When the fluid was sprayed out from nozzle,shearing forceswere produced because of the high velocity gradient in the jetarea,and vortexwas formed.When nozzle'spositionwasat0mm,both thevortex and thesuctionwere the strongest.

STAR CCM+；exterior circulating fluidized bed;nozzle;aperture ratio;numerical simulation

TQ051.1

A

1007-2373(2016)01-0068-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.013

2015-03-19

劉燕（1970-），女（蒙古族），副教授，博士，julia_liuyan@hotmail.com．

數字出版日期：2015-12-07數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151207.1448.006.htm l