氣固兩相流動中的一種顆粒相湍流模型

曾卓雄，徐曉東，王浩淵，程 恒，公 雪

（上海電力大學 能源與機械工程學院， 上海 201306）

氣固兩相流動廣泛存在于燃煤電廠、化工、冶金等領域，引起了國內外諸多關注。徐啟等針對顆粒相采用拉格朗日模型，針對氣相采用Realizable-湍流模型，對煤粉旋流兩相流動進行了數值模擬。Wu等針對氣相采用湍流模型，利用雙流體模型模擬了噴動床內的氣固流動。眾所周知，不僅固體顆粒自身存在湍流的產生和耗散，而且顆粒的存在對氣體湍流流動也有很大的影響。在雙流體兩相湍流模型中，兩相速度脈動關聯及產生項的封閉相對薄弱。早期簡單的量綱分析方法或半經驗法被廣泛采用，其模擬結果和理論分析及實驗結果有較大差距，因此，有必要建立兩相速度關聯的輸運方程。Zeng等從大尺度的顆粒湍流脈動和顆粒間碰撞引起的小尺度脈動的概念出發，建立了顆粒相雙尺度模型。該模型物理意義明確，總體預測精度比其他湍流模型要好，但對計算要求高。綜合考慮模型的合理性及經濟性，并結合文獻[6]，本文建立了將顆粒相雙尺度模型及兩相關聯湍動能方程相結合的顆粒相湍流模型，將其計算結果與----模型的結果進行比較，并對比實驗數據，以檢驗該模型的模擬能力。

1 顆粒相雙尺度兩相湍流模型

2 旋流室內氣固兩相流動的數值計算

兩相進口為速度進口條件，出口取充分發展條件。對氣相，壁面取無滑移條件；對固相，壁面取滑移條件。對流項的離散采用二階迎風格式，擴散項的離散采用二階中心差分格式，對差分方程組采用壓力-速度修正的SIMPLE算法求解。圖1為旋流室結構示意圖，其中：1為直流進口；2為旋流進口；、、、分別為中心孔直徑、環縫內徑、環縫外徑、旋流室直徑，值分別32 、38 、64 、194 mm。分別采用本模型以及五方程模型對圖2的兩相流動進行了模擬。固體材料密度為2 500 kg·m，平均粒徑為60 μm。氣體中心質量流量為9.9 g·s，顆粒質量載荷0.034，氣體環縫質量流量為38.5 g·s，旋流數為0.47。網格類型為結構化網格。網格無關性驗證如圖2所示，其中：為徑向位置；為旋流室半徑。實驗數據為文獻［9］的顆粒軸向脈動速度。網格1的網格數為1 387 346，網格2的網格數為1 126 348，兩者結果基本重合。取網格2的結果作為分析對象。

圖1 旋流室示意圖Fig. 1 Geometry of the swirl chamber

圖2 網格無關性驗證Fig. 2 Grid independence verification

圖3為氣體、顆粒兩相平均速度分布。對兩相軸向平均速度和切向平均速度而言，本模型以及模型的模擬結果均與實驗數據較吻合，但是在截面中心區域，對于軸向速度，模型的模擬結果和實驗結果有一定的差距。

圖3 氣體、顆粒兩相平均速度分布Fig. 3 Mean velocity of the gas and particles

圖4為氣體、顆粒兩相脈動速度分布。對氣相軸向脈動速度和切向脈動速度，兩種模型的模擬結果與實驗數據相差都比較大，這可能是由于相位多普勒粒子分析儀（PDPA）測量結果有誤差，也可能是因為湍動能耗散率等變量方程的封閉還需改進。但是對于顆粒相軸向脈動速度及切向脈動速度，兩種模型的模擬結果均與實驗數據較吻合。顆粒湍流有其自身的對流、擴散、產生和耗散，其平均速度及脈動速度呈現出和氣相不一致的分布。總體上，本模型的模擬結果和實驗數據吻合得更好，造成結果差異的主要原因是本模型的封閉更合理，既考慮了各向異性，又考慮了兩相相互作用的影響。

圖4 氣體、顆粒兩相脈動速度分布Fig. 4 Fluctuation velocity distribution of the gas and particles

3 結 論

本文研究了旋流室內的氣固兩相流動，主要結論有：

（1）建立了顆粒相雙尺度模型及兩相關聯湍動能方程相結合的顆粒相湍流模型，本模型同時考慮了脈動各向異性以及兩相湍流間相互作用。

（2）利用本模型以及五方程模型對旋流兩相流動進行了數值計算，并對比了兩種模型下兩相平均速度及脈動速度的分布。

（3）總體而言，本模型的模擬結果比---五方程模型的模擬結果與實驗數據更吻合。