專利名稱:一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法
技術領域:
本發(fā)明涉及顆粒流體兩相流系統(tǒng),特別涉及一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法。
背景技術:
顆粒流體系統(tǒng)作為過程工業(yè)的核心,廣泛應用于煤的利用、石油和天然氣的加工、煉鋼煉鐵、水泥、化肥和各種粉末材料的生產過程。而顆粒流體系統(tǒng)的特征是復雜的時空多尺度非均勻流動結構,其非均勻結構是反應器內流動、傳質和傳熱過程研究的關鍵。反應器內的非均勻結構參數的分布和演化規(guī)律是反應器設計、運行、控制和放大關注的核心。
目前對反應器內流動參數的描述往往是經驗關聯方法或者計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)方法。經驗關聯方法主要建立在對有限實驗或工業(yè)數據的分析基礎之上,在指導反應器放大時,該方法缺乏可靠性。而采用歐拉方法描述顆粒流體系統(tǒng)內非均勻結構時,微元體曳力系數的計算是該方法的薄弱環(huán)節(jié),參見文獻1Yang,N.,W.Wang,et al.Chemical Engineering Journal 96,P.71(2003)中公開的方法。而追蹤單顆粒運動軌跡的拉格朗日方法中,顆粒和流體兩相的相間耦合基于平均化方法,沒有考慮介觀即網格尺度上的非均勻結構對兩相流動的影響。參見文獻2Limtrakul S.,Chalermwattanatai A.,Unggurawirote K.,Tsuji Y.,Kawaguchi T.and Tanthapanichakoon W.Chemical Engineering Science Vol.58,P.915,(2003)中公開的技術。
建立一種合理考慮顆粒流體系統(tǒng)中介觀尺度上非均勻結構的測量方法,能了解其多尺度非均勻結構參數分布特征,對工業(yè)反應器設計、放大及調控具有重要的指導作用。因此,現有技術的不足就需要一種改進的測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有拉格朗日方法中顆粒流體兩相的相間耦合基于平均化方法從而忽略網格內介觀非均勻結構的缺點,提供一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法。
為了實現上述目的,本發(fā)明采取如下技術方案。
一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,包括如下步驟 1)確定輸入條件; 2)建立顆粒流體兩相的動量和質量守恒方程; 3)根據網格內的顆粒位置得到顆粒的局部空隙率和局部空隙率梯度; 4)根據顆粒的局部信息將網格內的非均勻結構分解為局部均勻結構的組合,對流體流速進行分配; 5)將分配后的流體流速代入所述動量和質量守恒方程中,得計算結果。
進一步地,在所述步驟1)包括物性參數固相顆粒直徑dp、顆粒密度ρp、氣相密度ρg、氣相粘度μ,設備參數設備的高度H和直徑W等,操作條件表觀流體速度u和顆粒初始速度v。
進一步地,在所述步驟2)中,建立顆粒相和流體相的包括動量守恒方程、質量守恒方程、相間動量傳遞方程的基本方程如下 流體連續(xù)性方程 流體動量守恒方程為 顆粒的運動方程為 顆粒的曳力計算方程 相間動量傳遞 其中,ε表示空隙率;ρ表示密度,下標g表示流體;u表示流體速度矢量;t表示時間;p表示壓力;S表示源項,下標p表示顆粒;τ表示粘性應力,下標g表示流體;g表示重力;m表示質量,下標p表示顆粒;v表示顆粒速度;Fd表示顆粒所受的曳力;Cd表示曳力系數;d表示直徑,下標p表示顆粒;Vcell表示網格體積。
進一步地,在所述步驟3)中,各個顆粒的局部空隙率的統(tǒng)計利用局部加權 進而得到各個顆粒的局部空隙率梯度 網格內的整體空隙率梯度 其中,ε表示空隙率,下標i表示顆粒序號;r表示顆粒半徑,下標p表示顆粒;W(r,h)表示加權函數。
進一步地,在所述步驟4)中,將非均勻結構分解為均勻結構并聯和串聯的組合。在串聯的均勻結構中,流體速度不進行分配;而在并聯的均勻結構,根據壓降平衡對流體流速進行分配。
進一步地,在所述步驟1)中確定輸入條件的顆粒流體兩相流反應器是存在非均勻結構的顆粒流體反應器,包括循環(huán)流化床或者提升管反應器。
與現有技術相比,本發(fā)明的優(yōu)點為 1)本發(fā)明關聯了不同尺度的相互作用,考慮了介觀非均勻結構對顆粒流體兩相流動的影響,合理的解決了顆粒流體相間耦合的問題。
2)本發(fā)明克服了經驗關聯式的固有局限性。
3)本發(fā)明可以得到顆粒流體系統(tǒng)的非均勻結構參數,為測量反應器內傳熱、傳質和反應過程提供基礎,用來指導顆粒流體兩相流反應器的操作、控制以及放大過程。
圖1為本發(fā)明測量的非均勻結構的示意圖; 圖2為本發(fā)明的測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的多尺度關聯方法的流程圖; 圖3為本發(fā)明中網格內流體的平均流速的分配示意圖; 圖4為本發(fā)明應用例1中未考慮介觀非均勻結構得到的模擬結果; 圖5為本發(fā)明應用例1中考慮介觀非均勻結構得到的模擬結果。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述 如圖1所示的存在非均勻結構的顆粒流體系統(tǒng),顆粒流體兩相流反應器包括循環(huán)流化床或者提升管反應器,也可以是其他存在非均勻結構的顆粒流體反應器。針對圖1所示的顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構,測量該結構參數分布的方法步驟如圖2所示,具體步驟如下 步驟一、確定測量方法實施時的輸入條件,具體包括固相顆粒直徑dp、顆粒密度ρp、氣相密度ρg、氣相粘度μ,設備參數設備的高度H和直徑W等,操作條件表觀流體速度u和顆粒初始速度v等操作條件。
步驟二、根據上述的輸入條件和操作條件,建立描述非均勻結構的動量守恒方程、質量守恒方程、相間動量傳遞方程等基本方程如下 流體連續(xù)性方程 流體動量守恒方程為 顆粒的運動方程為 顆粒的曳力計算方程 相間動量傳遞 其中,ε表示空隙率;ρ表示密度,下標g表示流體;u表示流體速度矢量;t表示時間;p表示壓力;S表示源項,下標p表示顆粒;τ表示粘性應力,下標g表示流體;g表示重力;m表示質量,下標p表示顆粒;v表示顆粒速度;Fd表示顆粒所受的曳力;Cd表示曳力系數;d表示直徑,下標p表示顆粒;Vcell表示網格體積。
步驟三、根據網格內的顆粒位置通過加權得到顆粒的局部空隙率和局部空隙率梯度; 根據顆粒的位置信息得到網格內的非均勻介觀結構,對各個顆粒的局部空隙率和局部空隙率梯度進行統(tǒng)計,得到網格內的整體非均勻結構的分布,各個顆粒的局部空隙率的統(tǒng)計利用局部加權 進而得到各個顆粒的局部空隙率梯度 網格內的整體空隙率梯度 其中,ε表示空隙率,下標i表示顆粒序號;r表示顆粒半徑,下標p表示顆粒;W(r,h)表示加權函數。
步驟四、根據顆粒的局部信息將網格內的非均勻結構轉化為局部均勻結構的組合問題,對流體流速進行分配; 如圖3所示,將網格內的非均勻結構進行分解,根據網格內的整體空隙率梯度,將非均勻結構分解為均勻結構并聯和串聯的組合。在串聯的均勻結構中,流體速度不進行分配;而在并聯的均勻結構,根據壓降平衡對流體流速進行分配。
假設網格內的顆粒位置信息如圖3(a)所示,根據顆粒的局部空隙率將顆粒分組,即圖3(b)所示的顆粒層,并得到網格內總的空隙率梯度。進而將根據網格內的總的空隙率梯度將顆粒層中流體的流動分解為圖3(c)所示的并聯和串聯流動方式的組合,從而如圖3(d)每個顆粒局部的流體流速近似等于其所在顆粒層的流體流速 ui≈ul=u⊥l+u//(9) 其中,ui為顆粒i的局部流體流速,ul為顆粒所屬顆粒層的流體流速,u⊥l為并聯結構中顆粒所屬顆粒層的流體流速分量,u//為串聯結構的流體流速。
在流體的并聯結構中,和網格內空隙率梯度垂直方向上流體的平均速度的分量u⊥需要根據顆粒的局部空隙率進行分配,其分配原則為質量衡算和力平衡。
質量衡算的表達式為 ∑flu⊥l=u⊥(10) 其中u⊥為和空隙率梯度垂直方向上流體平均速度的速度分量,fl為各顆粒層的體積分率,u⊥l為顆粒層的流體流速分量。
力平衡的表達式為 其中
為單位體積內顆粒所受的曳力,下標l和l′表示不同的顆粒層。
單位體積內顆粒所受的曳力的表達式為 其中v⊥l為顆粒層的顆粒速度分量。
步驟五、將分配后的流體流速代入顆粒的曳力計算中。將非均勻結構分解后得到的顆粒所在位置的局部流體流速代入到顆粒的所受的曳力的計算中,即將公式(9)所得到的局部流體流速代入到公式(4)中。通過求解方程(1~12)得到顆粒的速度和濃度分布和流場等非均勻參數信息。
將本發(fā)明方法應用于流化床反應器內的測量非均勻結構變量的分布。流化床內徑40mm,高度1.0m,入口氣速為1.6m/s。顆粒直徑dp=0.8mm,密度ρp=810kg/m3。將本發(fā)明提出的方法應用于該循環(huán)流化床提升管的流動計算時,首先建立相應的非線性方程組,方程(1~12),然后根據裝置的形式和輸入條件,進行求解計算非線性方程,方程(1~12),得到顆粒的速度和濃度分布和流場等非均勻參數信息,復現了實驗中的節(jié)涌現象。未考慮介觀非均勻結構得到的模擬結果如圖4所示,計算結果表明顆粒所受的曳力偏大,顆粒被吹出了流化床外。如圖5所示,本發(fā)明計算結果合理的復現了節(jié)涌現象,和實驗結果符合較好。
本發(fā)明在合理利用顆粒的位置信息考慮網格內的非均勻結構的基礎上,通過單顆粒跟蹤,實現非均勻流動結構參數的測量。本發(fā)明提供的方法能準確得到顆粒流體系統(tǒng)內流動參數的分布,指導反應器的操作和控制。
最后所應說明的是,以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換,都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍,其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,包括如下步驟
1)確定輸入條件;
2)建立顆粒流體兩相的動量和質量守恒方程;
3)根據網格內的顆粒位置得到顆粒的局部空隙率和局部空隙率梯度;
4)根據顆粒的局部信息將網格內的非均勻結構分解為局部均勻結構的組合,對流體流速進行分配;
5)將分配后的流體流速代入所述動量和質量守恒方程中,得到計算結果。
2.根據權利要求1所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,所述步驟1)中的輸入條件包括物性參數固相顆粒直徑dp、顆粒密度ρp、氣相密度ρg、氣相粘度μ,設備參數設備的高度H和直徑W等,操作條件表觀流體速度u和顆粒初始速度v。
3.根據權利要求2所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,在所述步驟2)中,建立顆粒相和流體相的包括動量守恒方程、質量守恒方程、相間動量傳遞方程的基本方程如下
流體連續(xù)性方程
流體動量守恒方程為
顆粒的運動方程為
顆粒的曳力計算方程
相間動量傳遞
其中,ε表示空隙率;ρ表示密度,下標g表示流體;u表示流體速度矢量;t表示時間;p表示壓力;S表示源項,下標p表示顆粒;τ表示粘性應力,下標g表示流體;g表示重力;m表示質量,下標p表示顆粒;v表示顆粒速度;Fd表示顆粒所受的曳力;Cd表示曳力系數;d表示直徑,下標p表示顆粒;Vcell表示網格體積。
4.根據權利要求3所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,在所述步驟3)中,各個顆粒的局部空隙率的統(tǒng)計利用局部加權如下
進而得到各個顆粒的局部空隙率梯度
網格內的整體空隙率梯度
其中,ε表示空隙率,下標i表示顆粒序號;r表示顆粒半徑,下標p表示顆粒;
W(r,h)表示加權函數。
5.根據權利要求4所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,在所述步驟4)中,將非均勻結構分解為均勻結構并聯和串聯的組合;在串聯的均勻結構中,流體速度不進行分配;在并聯的均勻結構中,根據壓降平衡對流體流速進行分配。
6.根據權利要求1-5中任一項所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,在所述步驟1)中確定輸入條件的顆粒流體兩相流反應器是存在非均勻結構的顆粒流體反應器。
7.根據權利要求6所述測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,其特征是,所述顆粒流體反應器包括循環(huán)流化床或者提升管反應器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量顆粒流體兩相流系統(tǒng)非均勻結構參數分布的方法,包括如下步驟1)確定輸入條件;2)建立顆粒流體兩相的動量和質量守恒方程;3)根據網格內的顆粒位置得到顆粒的局部空隙率和局部空隙率梯度;4)根據顆粒的局部信息將網格內的非均勻結構分解為局部均勻結構的組合,對流體流速進行分配;5)將分配后的流體流速代入動量和質量守恒方程中,得到計算結果。本發(fā)明解決了顆粒流體相間耦合的問題,克服了經驗關聯式的固有局限性。
文檔編號G01N15/00GK101201311SQ200610165060
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權日2006年12月12日
發(fā)明者明 許, 蔚 葛, 李靜海 申請人:中國科學院過程工程研究所