異直式氣體分布板氣流分布數值模擬及分析

王曉靜 臧明華 武宸宇 王 菁

（天津大學a. 化工學院； b. 環境科學與工程學院）

振動流化床具有傳熱、傳質速率較高、結構緊湊及操作簡便等優點。 因此被廣泛用于礦山、冶金、化工、輕工、醫藥、食品及建材工業等領域［1～4］。氣體分布板是保證振動流化床具有良好和穩定流態化的核心構件，其結構和尺寸直接影響著流化的均一性和穩定性，進而影響振動流化床的傳質和傳熱，故需要合理選擇和設計氣體分布板［5～7］。

直孔式和斜孔式氣體分布板是目前應用最廣泛的氣體分布板，其中直孔式氣體分布板具有流化性好、阻力適中及成本低等優點，劉巍和湯文成指出在相同的實驗條件下，斜孔式氣體分布板的熱效率高于直孔式氣體分布板，基于直孔式和斜孔式氣體分布板的優點，消除分布板較厚的缺點，設計出一種干燥非球形顆粒物料的新型氣體分布板——異直式氣體分布板（HSP）［8］。

氣體分布板開孔率的大小影響孔道與流化床截面積之比和孔內氣體流速，從而影響流體通過氣體分布板的孔道阻力，所以系統研究分布板不同開孔率條件下的流體流動行為也尤為重要［9］。 文獻和相關實驗資料表明，開孔率8%的斜孔式氣體分布板在產品質量、熱點溫度等方面表現較優［10］。 因此，筆者給出開孔率為5.67%、8.57%、11.97%的3種異直式氣體分布板， 通過一定的簡化后，建立振動流化床的簡化模型，利用CFD軟件Fluent數值模擬功能對振動流化床流場進行研究，并結合CFD-DEM技術研究顆粒運動行為，以期為異直式氣體分布板工業化應用提供一定的依據。

1 氣體分布板結構數值模擬

1.1 數學模型

單一氣相體系采用穩態方法進行求解，空氣的運動速度較低，可視為不可壓縮流體。 湍流模型采用Realizable k-ε模型， 壓力速度耦合采用SIMPLE算法， 動量離散方程采用一階迎風格式，近壁面函數采用Standard Wall Functions，則：

其中，u、v、w分別表示速度在x、y、z3個方向上的分量；p表示作用在微元體上的壓強；Fx、Fy、Fz分別表示微元體在x、y、z方向上受到的體力；τxx、τxy、τxz等表示作用在微元體表面上的粘性應力的分量；σk=1.0；σε=1.2；C1=max｛0.43，［η/（η+5）］｝；C2=1.9；Gk表示平均速度梯度引起湍動能的產生；μt表示湍動粘度，其計算式為μt=ρCu（k2/ε）［11］。

1.2 物理模型

圖1給出了異型孔結構。 從圖1中可以看到，異型孔在豎直方向有一個30°的缺口，可增大異型孔出口處氣體豎直方向速度。 在相同氣速下，比不開缺口的異型孔更易使非球形大顆粒產生流態化。 筆者考慮在干燥過程中顆粒易與異型孔發生碰撞， 故在異型孔開孔方向反側設置一個直孔，如圖2所示。HSP由異型孔和直孔組成，異型孔和直孔在板體上相間排布。 直孔呈正三角形排布，異型孔排布跟隨直孔排布。 為驗證直孔作用，筆者建立開孔率Ф=4.30%的異型式氣體分布板（HP），分布板結構參數見表1。

圖2 HSP結構圖

表1 不同開孔率氣體分布板結構參數

參照表1中氣體分布板結構參數， 在對振動流化床結構進行簡化的基礎上， 利用SolidWorks三維建模軟件完成模型建立工作，如圖3所示。 隨后將實體模型的1/2導入Workbench17.0中進行網格劃分并采用曲率法對氣體分布板表面進行局部加密處理， 劃分后的mesh文件網格模型導入Fluent軟件中進行數值模擬計算。

圖3 振動流化床三維模型

1.3 邊界條件

單向流數值模擬氣體是常溫常壓下的空氣，入口速度為0.5～1.7m/s，以間隔0.3m/s取值，氣體入口為速度入口，湍流強度I=0.16×Re（-1/8），雷諾數Re=dvρ/μ，氣體出口和物料出口為完全發展流動形式。

2 速度場數值模擬結果分析

2.1 布風孔局部速度場特性分析

氣體分布板上氣體分布是影響振動流化床內顆粒運動軌跡的重要因素，布風孔出口處速度矢量圖能夠準確表示氣流通過不同結構的布風孔時的流動狀況或流動方向等，通過孔附近渦流狀況，分析布風孔附近流體流動行為［12］。 圖4給出了 在 進 氣 速 度v=1.1m/s 時，Ф=4.30%HP 和Ф=5.67%HSP布風孔局部速度矢量圖。 由圖可知，異型孔出口處氣體可兼顧水平與豎直方向氣速，使得作用在非球形顆粒的氣流曳力方向與水平面呈一定夾角。 既可以增強非球形顆粒流動性，又可以給氣體分布板創造一個良好的流化條件。

圖4 不同氣體分布板布風孔局部速度矢量圖

觀察圖4a， 振動流化床內x-z平面在y=10mm以上區域所有氣流方向均朝向同一方向形成平推流，平推流的產生會導致氣體水平方向速度過大，顆粒停留時間過短，增加顆粒與氣體分布板碰撞機率和碰撞力。 如圖4b所示，在每個異型孔前部設置一個直孔，不僅擾亂異型孔所形成的平推流，加強了氣相的擾動，而且防止顆粒與異型孔發生碰撞。 同時，異型孔和直孔的復合形式使得直孔與異型孔之間產生一個微渦流，氣流方向均朝上，利于大顆粒物料產生流態化。 微渦流的存在加強了氣體布風板近表面空氣擾動程度，延長了顆粒在床內的停留時間，有利于氣固兩相混合，從而強化傳熱、傳質效果。

通過表1可知， 開孔率4.30%HP和開孔率11.97%HSP區別在于有無直孔。 因兩種氣體分布板開孔率不同， 通過單相流場模擬可知， 當v=2.9m/s時開孔率11.97%HSP和當v=0.5m/s時開孔率4.30%HP在y=10mm處的空氣平均合速度相對偏差為0.12%，可認為相等，不同開孔率氣體分布板數據參數詳見表2。 表2給出了在y=10mm處空氣平均水平速度， 開孔率4.30%HP 為開孔率11.97%HSP的1.194倍，進一步說明了直孔對異型孔形成的平推流擾亂作用明顯，能夠防止顆粒停留時間過短。

表2 不同開孔率氣體分布板數據參數

在此基礎上，利用CFD-DEM技術進行流固耦合研究， 對比分析開孔率11.97%HSP和開孔率4.30%HP顆粒運動行為。 圖5給出了開孔率4.30%HP和開孔率11.97%HSP在布風孔處顆粒運動軌跡。可以看出，開孔率4.30%HP內非球形顆粒先后與氣體分布板板體和異型孔發生碰撞，結合圖4a可知，異型孔雖開有缺口，產生一定的豎直方向氣速，但其值遠小于水平方向氣速，不足以使顆粒處于流態化。 若進一步加大氣速，在增加能耗的同時，水平方向氣速增加將遠遠大于豎直方向氣速，無法保證顆粒停留時間。 通過圖5b可以看出，直孔的加入大幅改善了顆粒運動行為。 顆粒由于重力的作用做加速運動，當它運動到直孔位置，速度減小，降低了顆粒與氣體分布板之間的碰撞力，同時可以看出，在直孔和朝上的微渦流的作用下，顆粒與異型孔并未發生碰撞。 結合表2數據計算可知，單位時間內開孔率4.30%HP內單顆粒碰撞次數為4.793次， 是開孔率11.97%HSP的1.357倍， 直孔和異型孔的組合形式大幅降低了床內顆粒碰撞機率。通過布風孔局部速度矢量圖和顆粒運動行為分析可知，異直式氣體分布板比異型式氣體分布板更易使大顆粒產生流態化，同時大幅降低了顆粒與分布板的碰撞機率和碰撞力。

圖5 不同氣體分布板布風孔處顆粒運動軌跡

2.2 氣體分布板速度場特性分析

圖6表示在進氣速度v=1.1m/s時，振動流化床內x-z平面y=10mm截面4種氣體分布板空氣速度矢量圖。 從圖6中可以看到Ф=4.30%HP近表面氣速高達22.29m/s， 沿x方向氣速先增加后減小，氣速變化明顯，且高速區主要存在于中部區域。 與HP相比，HSP空氣速度沿x方向先增加后降低然后逐漸穩定，其近表面氣速更低，氣體分布更加均勻。 在相同進氣速度下， 隨著開孔率的增加，HSP穩定區域增加，近表面空氣速度減小。

圖6 y=10mm截面處的空氣速度矢量圖

圖7表示在進氣速度1.1m/s下，4種氣體分布板在y=10mm、y=20mm、y=30mm、y=40mm高度處的沿x方向空氣速度分布規律。觀察圖7發現HP結構空氣速度隨著高度的增加而減小，氣體脈動現象幾乎不存在，因而擾動較弱，不利于顆粒與熱氣流充分接觸。 而異型孔和直孔的復合形式使得在y=10mm處空氣速度呈現出上下波動的趨勢，振幅大，擾動明顯，有利于氣固兩相充分接觸。 且空氣速度的波動趨勢隨著高度的增加逐漸趨于緩和，效果佳。

圖7 不同氣體分布板在不同高度下沿軸向位置空氣速度分布

對比不同開孔率下HSP沿x方向速度分布，發現隨著開孔率的增加，在y=10mm處空氣速度的波動幅值減小，y=30mm和y=40mm處空氣速度分布差值逐漸減小并趨于一致。 這是由于在相同進氣速度下，開孔率越大，通過布風孔氣速越低。 隨著高度增加，氣體分布板對空氣速度影響越小。 因此，在相同工藝參數下，若達到相同的流化效果，開孔率較大的氣體分布板的進氣速度需要比開孔率較小的氣體分布板更大， 導致能耗增加，但物料穩定性增強。

3 壓力場數值模擬結果分析

3.1 氣體分布板靜壓特性分析

判別氣體分布板布風性能優劣的重要參數為：密相區近氣體分布板處豎直方向靜壓分布波動幅度大、波動規律性強，隨著高度增加，密相區上層靜壓波動平緩，氣流分布逐漸平緩，稀相區壓力波動可忽略［12］。 密相區研究區域0～20mm，20mm 以上為稀相區， 稀相區研究區域為30～40mm。 圖8給出了在進氣速度v=1.1m/s下，不同氣體分布板在y為5、10、15、20、30、40mm處的靜壓分布情況。

觀察圖8， 發現HP和HSP結構兩者之間在稀相區豎直方向幾乎沒有靜壓波動， 平緩增長，說明兩種結構稀相區穩定性高。 同時，由于開孔朝向問題導致開孔方向一側靜壓高于反側靜壓，模擬結果表明在振動流化床干燥區域內氣體形成較大的內循環， 可增大熱氣流與顆粒的接觸時間，傳熱效率高。 對比HP結構和HSP結構，可以看出HP結構在近氣體分布板區域靜壓波動幅度小，而HSP結構距氣體分布板20mm以下區域靜壓波動幅度大，5mm處壓力波動較為明顯， 以一定的壓力波動規律沿軸向位置增加，并隨著高度的增加，其波動也趨于平緩。 因近氣體分布板處需要良好的靜壓波動才能形成良好的氣固兩相混合狀態， 故HSP結構在密相區的性能優于HP結構。根據氣體分布板布風性能優劣重要參數判斷，可以得出HSP結構是一種較佳的氣體分布板， 擁有優秀的流化質量。

圖8 不同氣體分布板在不同高度下沿軸向位置靜壓分布

3.2 氣體分布板壓降特性分析

開孔率是影響氣體分布板壓降，決定流體分布是否均勻的重要因素，壓降的存在是物料被流化的基本保障［13］。 一般來說，通過增減開孔數目或開孔面積來改變氣體分布板開孔率［12，14］。 筆者通過改變開孔面積而不改變開孔數目，給出開孔率Ф為5.67%、8.57%、11.97%的3種異直式氣體分布板。 不同開孔率HSP在不同進氣速度下壓降變化如圖9所示。

圖9 不同進氣速度下HSP壓降分布圖

從圖9中可以看到，進氣速度較低時，壓降相對較小，隨著進氣速度的不斷提高，壓降明顯增加；進氣速度越大，增加速率也越大。 這是由于在相同開孔率下，進氣量增大，流體通過布風孔的氣流阻力增大，壓降隨之迅速增大。 同樣可以看到，在相同的進氣速度下，氣體分布板的開孔率越高，壓降就越小，壓降增長速率也越小。 因此達到相同的壓降，開孔率較大的氣體分布板需要比開孔率較小的氣體分布板具有更大的進氣速度。

4 結論

4.1 異型孔導向作用明顯，直孔的設置可擾亂異型孔形成的平推流，加強了氣體分布板近表面氣相擾動，有利于氣固兩相混合；直孔與異型孔相互作用所產生的微渦流，氣流方向均朝上，易使粗顆粒物料產生流態化，從而強化傳熱、傳質效果。

4.2 直孔的設計改善了顆粒的運動行為，在直孔和微渦流的共同作用下，大幅降低了床內顆粒碰撞機率與碰撞力，延長了顆粒停留時間。

4.3 在相同進氣速度下，對比不同開孔率下異直式氣體分布板流場， 發現隨著開孔率的增加，異直式氣體分布板穩定區域增加，壓降減小，近氣體分布板表面空氣速度減小且波動幅值也減小，因此，在相同工藝參數下，開孔率較大的氣體分布板需要比開孔率較小的氣體分布板具有更大的進氣速度才能達到同樣的流化效果，導致能耗增大，但物料穩定性增強。

4.4 在y=10mm截面處， 異型式氣體分布板氣速比異直式氣體分布板沿x方向變化明顯， 氣體脈動現象較弱，異直式氣體分布板近氣體分布板區域靜壓波動明顯，可形成良好的氣固兩相混合狀態；且隨著高度的增加，其波動也趨于平緩，根據氣體分布板布風性能優劣重要參數判斷，可以得出異直式氣體分布板是一種較佳的氣體分布板，擁有優秀的流化質量。