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用先进的数值模型表征气固流化床中螺旋输送机形状的影响
秦刚熊机械工程，爱荷华州立大学，艾姆斯，IA 50011
机械工程，爱荷华州立大学，艾姆斯Soroush Aramideh部，IA 50011
阿尔伯托Passalacqua机械工程，爱荷华州立大学，艾姆斯，IA 50011
首常kong1机械工程系，爱荷华州立大学，艾姆斯，IA 50011电子邮件： kong@iastate.edu
利用计算流体力学计算了封闭螺旋输送机形状对水平气固流化床混合和传热的影响。一个二种流体（TFM）模型以及气固两相的通过质量、动量和能量守恒的连续。通过使用旋转参考系模拟了螺旋输送机的运动（RRF），计算网格无动态重构。螺杆的直径和轴，螺距，和叶片厚度变化的参数研究。在研究的操作条件下，发现螺杆的直径的增加导致固体混合和输送的增强。螺旋轴的直径和螺旋叶片厚度的增加导致了固体混合增强，但减少了输送。螺杆间距的变化在固体混合和输送产生了相当复杂的行为。随着螺距的减小，固体混合刚开始增加，但随后下降，最终增加。固体输送能力被发现先增加，然后减少。螺旋输送机形状影响的解释在这项工作中进行了讨论。[关键词：10.1115 / 1.4029864 ]
关键词：螺旋输送机，气固流动，流化床，传热，旋转坐标系
1，引言
封闭式螺旋输送机（即钻）被发现在化学工程与工艺得到广泛应用由于其高速的运输和混合能力。实际应用的范围中，采用封闭式螺旋输送机提升管式反应器中混合和输送固体颗粒引起人们极大的兴趣。由于螺旋输送机和固体颗粒表面之间的机械冲击，所需的混合性能和固体相的体积吞吐量显著升高。另一方面，已广泛被大家认知的是封闭式螺旋输送机固体输送效率高度依赖于螺旋输送机。因此，固体运输封闭螺旋输送机的性能最大化已成为近年来工业界和科学界研究的一个重要课题 。
大量的文献一直致力于研究固体颗粒在管式反应器中的传输现象，利用封闭螺旋输送机理论上的实验的数字。在大多数的研究中，固体颗粒的密度和尺寸是比较大的，因此，忽视气体相的影响。相对大的固体颗粒也导致螺旋输送机固体颗粒之间的连续接触。然而，对于许多类型的反应堆，如煤或生物质热化学转化，固体颗粒小的或轻的，因此螺旋输送机与固体颗粒之间是断断续续的接触。在这些反应器中，气体-固体相互作用对固体颗粒的动力学起着至关重要的作用。因此，从研究中获得的重大固体颗粒的影响可能不适用于细小颗粒。在反应器中，细小颗粒在螺旋输送机输送的流动模式需要建立新的指导方针。
由于固有的复杂相间的相互作用，它用权威的的使用理论分析，利用封闭的螺旋输送机在气体-固体流体力学在管状反应器得到一个全面的描述。虽然没有主要研究固体流动的气体在螺旋输送机的特点，因为寻求最佳的形状的螺杆由实验时是耗时和昂贵的。在反应器流场的实验测量也可能误导侵流动力学的正确解释。到目前为止，已经很少有实验利用封闭的螺旋输送机研究气体-固体在反应器中的流动。
在用方程数值求解整个反应器域，计算流体力学，是一个有用的工具来解开复杂的流动细节，并进行参数研究，以协助反应器的设计和优化。然而，与用大量的固体颗粒的计算流体力学研究相比，采用封闭式螺旋输送机的反应器建模的活动很少。湾、汉利博森和汉利用单相多孔介质模型，通过一个封闭的螺旋输送机在填充床上进行生物模拟流。生物质被当做均匀的多孔介质应用到模型的Ergun方程的流体粘度中。博生等人使用了这种单相多孔介质模型，但直接采用了实验测得的流体粘度在类似的反应器模拟。虽然单相多孔介质模型得到简单的实现，并能够绘制有用的指导方针，在设计螺旋输送机的形状方面，其应用范围是高度限制的流动图。单相多孔介质模型的数学分析表明，只有当固体相的空间分布保持均匀或准均匀该模型是有效的。不幸的是，对于大多数的气体-固体流动，固体相的分布是高度动态的和异构的。在这种情况下，气相和固相的演变需要同时确定的描述其局部流动结构。这个问题是由朱部分解决，他利用模型模拟了卧螺离心机气固流。得到了固体浓度分布，并对实验结果进行了验证，不考虑等温和传热。作为传热的实际反应器是必不可少的，如煤或生物质热化学转化裂解炉或气化，能量守恒方程需要作为反应器的流体力学特性的一个组成部分来描述。
在本研究中，TFM模拟实验室规模的卧式流化床反应器利用一个封闭的螺旋输送机生物质粒子输运使气固两相模型互连续。通过采用RRF的计算网格不需要重建对仿真过程中螺旋输送机的运动项目就可以模拟螺旋输送机旋转。在这项工作中对螺旋输送机的形状的固体混合和输送的影响进行了研究。
2，数值方法
TFM方法是用来描述螺杆反应器的流动。和离散的方法相比，如直接数值模拟和离散的粒子模拟（可以单独跟踪固体颗粒），TFM是计算效率更高。对动量和能量守恒方程体积分数平均连续性进行求解，得到的分别为两个阶段混合改变的浓度，速度和温度。对广泛使用的RRF模型旋转对象进行螺旋输送机旋转。在下面，对TFM和RRF的数值方法进行了简要的探讨。
在TFM，当前的体积分数，速度，压力，和每个阶段的温度是由相平均连续性，动量和能量守恒方程求出。解决这些方程将导出气固两相的流动变量tempospatial分布。用于获得相体积的连续性方程
a，p和UI的体积分数、材料密度、速度矢量和相（frac14;气体或固体）分别被求出。在这项工作中，理想气体定律用来评估的气体材料密度。动量方程
应力张量未知，磷是气相压力，而克是重力向量为气相，SG表示在牛顿形式
在那里身份是张量和DG是气相的应变张量。LG和KG是气相和固相动态粘度，SS是使用颗粒流的动力学理论 计算（KTGF）为
PS、LS和KS是所谓的颗粒压力、动力粘度、粘度和体积。这三个颗粒的性质是由颗粒的能量导出固体相的径向分布函数。关于详细信息可以在前面找到。这是气–固相间动量交换系数 I期和J。仿照由Gidaspow曳力模型[ 33 ]为
能量方程
分别为温度，热容量和导热通量，。傅立叶定律适用于导电热通量。
热传导率。在气–固体传热系数I期和J之间，仿照由耿传热模型为
2.2RRF。RRF是一个特殊的参考帧，将运动旋转物体对立于惯性参考系。采用RRF的优点是计算网格不需要旋转物体的表面移动，通过大量的计算工作就可以保存。快速反应以恒定角速度X，绝对速度和加速度作为相对惯性参考框架
分别为随机转、转的瞬时速度和位移的旋转原点。因此，利用公式（9），在TFM守恒方程可以在RRF的框架表示。例如，式（2）改写为
值得注意的是，相应变张量D S也适应计算公式（9）。然而，由于这是气固两相之间的相对速度有关，不同的框架相速度可以直接应用在式（5）。RRF框架等守恒方程可以用类似的方法建立了。
3仿真条件
该水平的示意图，与一个封闭的螺旋输送机圆柱形流化床反应器如图1所示。天然气来自于以恒定的速度和温度ug0 TG0左进，而固体从左上方以一个恒定的质量流量和温度调节位置FS0注入。反应器出口处为大气压力。恒温TWall保持在静止壁而假设螺旋输送机面绝热，在螺旋输送机和固定壁面上的气相无滑移条件。然而，由于固体颗粒与螺旋输送机的相对运动，在螺旋输送机的表面上采用了局部滑移条件。在螺纹部分滑移，固体颗粒向右移动，如图2所示。在这项研究中，物理、模拟参数和它们的值保持不变，如表1。在下面的螺旋输送机，即几何与飞行直径相比，轴的直径，DIN，距PC，和叶片厚度TC将变为研究几何的影响。
在美国证券交易委员会描述的数值制剂。2是用标准的“compressibletwophaseeulerfoam OpenFOAM的求解器解决。”螺旋输送机的几何是第一个使用固体-作品。模拟域离散为高品质的非结构化网格采用预处理工具”snapyhexmesh，“细网格建立了改进的数值精度的附近固体表面。初步研究证明，网格独立的结果可以实现平均网格大小为0.5毫米左右。
图1 流化床反应器中螺旋输送机的结构
图2 螺旋飞行时固体颗粒在螺旋飞行中的运动
表1这项研究中的物理和仿真参数
特征 价值
固体密度，QS（公斤/立方米） 400
粒径，直扩（米）
固体的热容量，CPS（J /（kg * K）） 2300
固体的导热系数，JS（J /（m *s* K）） 1.0
气体的分子量，W（克/摩尔） 29
气体的热容量，CPG（J /（kg * K）） 721
气体的导热系数，JG（J /（m*s* K））
气动力粘度，LG（kg /（m * S））
反应器长度L（m） 0.2
螺杆长度，LS（M） 0.18
反应器直径D（m） 0.04
入口气速，ug0（米/秒） 0.025
进气温度、TG0（K） 400
入口固体质量流量、FS0（公斤/秒） 0.0115
进口固体温度调节（K） 300
反应器壁温，TWall（K） 400
螺旋角速度，X（弧度/秒）
靠近螺杆面和壁面网格的大小约为0.25毫米，以准确的表示出螺旋输送机和墙的形状。时间步是基于当前Courant数保证数值稳定性的动态调整，平均时间大约是
4结果与讨论
要确定是否模拟达到统计稳定状态，对反应器出口的固体质量通量进行了监测。固体同时在0.02米情况下frac14;Dout的时空演化，DINfrac14;0.008米，PCfrac14;0.03米，和TCfrac14;0.003m如图3所示。可以看出，在这种情况下的统计稳定状态在5 s左右，被检测固体质量在统计上达到稳态几乎同事都等于FS0。因此，在充足的而时间内，平均的时间固体质量在统计稳态平衡的机械精度都为FS0。其他情况下，也表现出类似的结果，在统计上状态稳定，只有在时间上由差异。因此，所有个例均为20秒，并且统计分析的结果中有10秒。两个参数，混合程度RS和固体热输出HS用于制定量化的螺旋输送机的性能。这两者被定义为
是瞬时域平均固体体积分数。vreactor是反应堆包括螺旋输送机的体积，soutlet是出口表面的方向向外的向量。在所有的情况下，时间平均的固体质量同时在统计学上的稳定状态等于FS0，和HS可以近似为
因此，只受温度的影响，而退出的固体，反过来又是由热传导的固定壁和从气体的传热来反应。这2个传热过程的影响，在反应器中的固体停留时间越长意味着温度越高。
4.1飞行直径的影响。相对于在图4DOUT RS和HS的变化，DIN，PC，和TC，分别为0.008 m，0.03 m和0.003 m，保持不变。可以看出，不增加的时候，RS降低。这意味着，随着螺旋飞行的直径的增加，固相分布变得越来越均匀。这与理论和传统的实验结果是一致的。由于螺杆的径向尺寸变大，螺杆与固体颗粒之间的接触面积增大，从而提高了绕轴旋转的固相。HS也随输出的增加。这表明随着螺纹的延伸，更多的受力固体颗粒的partialslip右边界的运输能力提高。因此，固体颗粒会更迅速地被带走，较短的固体停留时间也会减少固体颗粒的气体介质和反应器壁的加热。
值得注意的是，在不增加的时候，RS的下降率变小，而HS下降率增加。可以看出，从式（11），RS是由两个因素决定，即，固相体积分数的标准差和平均固体体积分数域。虽然不增加，但标准方差 的固体体积减小，域平均固相体积分数也有所下降，因为固相是被更快速的螺杆和更少的固相量作用留在反应器。这些不利影响导致一个较小的下降率，然而，TS是由螺杆输送能力的影响，气固曳力不增加，这两种功能加强，特别是天然气–固曳力由于减小体积的气体流向右气速的增大
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