数值计算与粗颗粒CFD-DEM的比较 以及在1 MW流化床碳酸化器模拟的情况下的全面流动管理的模拟外文翻译资料

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数值计算与粗颗粒CFD-DEM的比较

以及在1 MW流化床碳酸化器模拟的情况下的全面流动管理的模拟

A. Nikolopoulos ，A.Stroh b，Zeneli a，F.Alobaid ，N. Nikolopoulos ，J.Strouml;hle，S. Karellas ，B.Epple ，

格拉梅里斯.希腊塞萨洛尼基的研究和技术应用中心化学过程和能源资源研究所（CERTH / CPERI）

达姆斯塔特技术大学，能源系统与技术研究所，Otto-Berndt-Straszlig;e2，64287 Darmstadt，德国

雅典国家技术大学蒸汽锅炉和热力厂的实验室，9 Heroon Polytechniou街，15780 Zografou，希腊

强调：

CFD-DEM和Euler-Euler对于CFB模拟的比较，

EMMS拖动模型增加了这两个模型的精度，

单位长度与包裹直径的比值低于3，再次证实结果有足够的精度，

包裹直径与颗粒直径的比值低于60，再次证实了压力分布的结果。

关键词: CFD - DEM TFM EMMS 碳化器立管模拟 CFB 流体动力学

摘要：

这项工作着重于研究欧拉-欧拉双流体模型（TFM）与比较耦合粗粒离散元件CFD-DEM数值模型，用于模拟1 MWth CFB碳酸化​​器反应堆基于达姆施塔特（TUD）的基础上。拖曳力的作用及其配合应用在数值模型中对两种方法的数值精度进行比较以及实验数据的研究，通过使用传统的Gidaspow模型或更高级的EMMS。此外，对于粗粒CFD-DEM模型，重点是研究了作为每个颗粒的单元颗粒与颗粒尺寸比率的数值参数，以阐明对于这样的模型应该具有必要的分辨率，以便再次得出有效的而不是相关参数的数值结果。至少对于本文中研究的参数范围（提升管的尺寸，流速和颗粒平均值，直径），发现足够的单元长度与包裹直径比为约2.6，而关于包裹与粒径比58.5左右证明是足够的。 EMMS模型提高了由粗粒CFD-DEM导出的结果的准确性模型，而对于粗粒CFD-DEM的适当的阻力模型的进一步研究是一个正弦方程非类似研究中的成功案例。例如，有兴趣回答是否单个粒子的滑移速度而不是粒子的单元平均滑移，应该用于计算的动量交换系数（b）以及不同粒子的处理直径在EMMS方程式中。

1. 介绍

在早期流化床（FB）开发阶段，实验室规模实验导致计算范围的经验方法各种工作流化体系或技术的值方面。最小流化速度，气泡形成，颗粒磨损和轴向固体质量分数分布对流固性质的影响（Adaacute;nez和Abanades，1991;Samuelsberg和Hjertager，1996; Mathiesen等，2000）。这种实验室规模的流化床反应器实验为商业规模反应器设计提供了基础。然而，在过去十年由于可用的增长的发展计算资源，数值模型和模拟作为预测的支持工具尤其重要的气体 - 固体流动特性，有助于设计参数修改的检查通过补充实验数据。然而，有仍然需要进一步研究可用计算的能力流体动力学（CFD）工具并检查电流范围目前可用的模式方法的有效性实验测量来自实验运动进行用于流化床的操作作为燃烧器，催化裂化器或甚至CO ²吸收器。最终目标是提供高度精确和复杂的模型具有合理和可负担的计算成本。本文尝试阐明可用的建模方法通过比较欧拉 - 欧拉方法和最近开发的粗颗粒CFD-DEM，用于单个情况流化床碳化器用作两个互相连接的一个反应器在钙 - 循环的过程。比较可用的模型方法是基于的可用性位于1 MWth的CFB碳酸化​​器的实验测量在达姆施塔特理工大学（TUD）的基础上。CFD-DEM粗粒方法在深入研究拖动计算，网格和纹理/包裹大小分辨率作为包裹速度的子网格分布。

1.1建模方法

FB内的两相流是相当复杂的，相应的CFD建模不是微不足道的。如何从根本上模拟每个阶段的方法存在着很多的不同。现在试图对它们进行分类，第一种方法是直接数字模拟颗粒流动特性。这种方法，处于适当的位置以分解具有物体的颗粒周围的流动拟合数值网格，需要高分辨率模型（Cho等人，2005）。这些模型可以处理几百个或甚至成千上万的粒子，但对于真实的实际情况应用（特别是对于工业规模的单元）他们今天不存在的百万或甚至十亿颗粒子容易负担得起由于缺乏足够的CPU资源。 As（Tsuji等人，1993）在过去预测，即使对于现代也是不可能的超级计算机同时解决微观和宏观规模现象这使得大多数作者使用模型基于局部平均数量（AndersonJackson，1967）。然而，近年来GPU计算似乎有希望用于工程应用的可行模拟。最近，工业旋转的准实时模拟鼓，通过270 GPU，已实现1000万厘米尺寸的颗粒给未来的模拟的希望。通常，可以在两个建模之间进行区分用于气体 - 颗粒流的常规模拟的方法，即欧拉欧拉法，也称为双流体模型，和耦合欧拉 - 拉格朗日方法。遵循全面（Sundaresan，2011）的审查工作，并试图将其分类模型，提出以下粗略分类。在所有上述方法中，气相被建模在欧拉制剂中。可以找到一个例外（Ma等人，2006），他们执行直接数值模拟使用大规模粒子方法的连续相。欧拉 - 欧拉法是其中最成熟的方法上述的，因为它已经被调查过去25年。与之相关的固有的理论并发症考虑现实的多分散流动特性的情况（Nikolopoulos等人，2012; Benyahia，2008）是一个问题PSD纳入欧拉框架，但最重要问题是与模拟相关的过多的CPU成本考虑一些离散的粒度，因为对于每个粒子尺寸更多的偏微分方程必须被解决数值域。另一方面，在欧拉 - 拉格朗日的粒子方法不被建模为连续体。它们是单独跟踪或作为相同性质（尺寸，速度，等），通常命名为包裹或粗颗粒。的包裹表示具有相同材料的一组颗粒流动性（Zhao et al，2006）。包裹方法允许模拟具有数十亿实际尺寸粒子的系统。由于粗粒粒子模型，跟踪粒子的数量可以显着减少，从而相关计算成本。这是一个非常重要的固有特点，特别是对于循环流化床（CFB）的情况，一个全尺寸的CFB单元的颗粒数量在万亿级，短系统符号。

模拟颗粒 - 颗粒相互作用的方式，即以隐式或显式方式分割欧拉 - 拉格朗日类别在两个子类。第一类模型隐式计算任何粒子 - 粒子相互作用，通过使用KTGD（颗粒流动动力学理论）来确定颗粒粘度和压力，如在Euler-Euler方法的情况下。该项的梯度可以用于模拟粒子相互作用军队。动力学理论已被广泛使用（Gevrinet al。，2008; Zhang等人，2008; Nikolopoulos等人，2010a，2013;Abbasi和Arastoopour，2011; Zeneli等人，2015）在欧拉 - 欧拉框架和很受尊重。但是，当身体说话，微粒和微观运动的清晰分离尺度尚未被证明（Sundaresan，2011），虽然它被广泛接受和使用。简单的经验相关性也被用于模拟粒子间力（Liang et al。，2014;Shi et al。，2015; Li等人，2012）。大多数这些模型依赖于a术语的梯度，例如。颗粒压力或伪颗粒压力与颗粒负载成比例。因此，取决于压力梯度的粒子间力当颗粒体积分数总是试图分散颗粒是局部增加。这个模型的特点可能是原因为什么两个单独的粒子射流的情况不是期望合并成单流，CFD-DEM计算数值预测他们合并成一个（陈和王，2014）。 MP-PIC获得了TFM方法的基础，由于它CPU效率和容易处理粒度分布的方法（PSD）（Wang et al。，2015），特别是后者重要的相关性，并具有工业或科学重要性。事实上，越来越多的模拟研究，就这样为基础，现在都可以找到。

第二个子类别依赖于基于DEM的粒子相互作用。在CFD-DEM方法中颗粒相互作用机制通过跟踪每个粒子或对于大量颗粒的情况，代表性的包裹（粗粒CFD-DEM模型）。在这个所谓的包裹方法，通常被称为粗粒粒子模型例如在Chu等人的出版物（2016），几个真实通过单个粗颗粒颗粒来模拟大颗粒。作者调查了标准CFD-DEM的数值结果模型和粗粒CFD-DEM模型。据说对于密相流动之间仅出现小的差异两种模型，而对于稀相流动，结果是独立的从颗粒尺寸或包裹尺寸。在Lu等人的工作中（2016b）开发了一种粗颗粒颗粒方法与广泛但不太准确的MPIC相似的计算成本方法。作者得出结论，粗粒模型可以应用于具有数百万计算的工业规模应用包裹。也在Sak和Koshizuka的工作（2009年）和Sakai et al。 （2014）粗粒度模型验证和验证使用低和高缩放比。作者显示所开发的粗粒模型能够模拟固体颗粒在三维中的宏观行为鼓泡床，因此可用于模拟工业规模应用程序。

在Sakano等人的工作中（2000）二维流化床模拟与DEM模型假设代表/较大直径和较低密度的假想球体。的气泡形成的数值结果显示良好的一致性与实验数据。 Kuwagi et al。 （2004）提出了类似的粒子组装模型与实际粒子系统相同的密度和化学组成。该模型通过二维数值模拟验证单分散非粘性颗粒床和多分散性粘性颗粒。当涉及到颗粒/包裹之间的碰撞接触或颗粒/包裹和墙壁（在大多数基于DEM的模型以及在所应用的DEM模型中），根据下式计算法向力到使用粒子/包裹质量的线性弹簧缓冲器模型，同时计算相应的切向力摩擦碰撞法。碰撞建模参数等因为颗粒时间步长和弹簧常数是根据定义的几个作者提出的约束。为了这种情况下的粒子/包裹旋转，这个规律也可能包括由任何旋转粒子/包裹碰撞引起的力。再多一点碰撞定律在文献中是可获得的。赫兹碰撞法则或扩展线性弹簧缓冲器法则Kruggel-Emden et al。关于可用的法向力接触的评论法律可以在Kruggel-Emden等人的工作中找到。（2007）。流体和颗粒之间的动量交换/使用实际粒径计算包裹。确定性碰撞建模消除了对一组闭合的需要方程如MP-PIC的情况。 PSD可以轻松交付因为这是一个欧拉 - 拉格朗日方法，而包裹方法将CPU成本降低到可接受的水平。但是，到解决所有粒子碰撞粒子时间步长应该是对于一定的包裹体来说足够低（Cundall和Strack，1979）。此外，适当数值的范围值方面试图解决实际物理机制（网格密度，每个包裹的粒子数量）在本文中称为“模型分辨率参数“应详细调查和测试在选择标准值之前的操作条件范围以应用于任何数值运行。

1.2模型分辨率参数

为了比较不同的数值方法，模型的分辨率每种方法的能力也应该考虑它极大地影响了每个数值模型的精度。单相流正确网格密度与最小相关时间或空间尺度，影响流动结构，如在特性中湍流建模情况（例如Kolmogorov量表）。如一个例子，在液体流量（VOF）模拟最小栅格标度与液滴直径相关（Malgarinos等人，2015）和在流化床（FB）Euler-Euler中模拟粒径已被报道为指示测量以缩放网格密度（Nikolopoulos等人，2013）。这是因为簇直径与粒径很好相关作为哈里斯等人的实验工作。 （2002）和Gu和陈（1998）提出。集群应该明显地解决影响FB流体动力学以及展出非均相反应（Hong et al。，2012）。特点网格尺寸与粒径比（lr比）应低足以在粒子聚类时再现高精度的结果显着影响宏观流动模式。比较少超过20，10或更低被认为足够使用常规拖曳相关来获得准确的结果，但没有任何直接的答案，什么是最低要求还没有给出。 （Lu et al。，2009）提出上述网格密度应小于10和均匀具有这种高网格密度，计算数值结果也取决于中尺度结构及其如何建模常规和高级拖拽模型再现不同的网格独立结果（Wang和Chen，2015）。颗粒聚集体重要性对于Geldart A颗粒非常高，但它已经据报道对于Geldart B颗粒模拟也是重要的（Nikolopoulos等，2010b）的CFBs。

欧拉 - 拉格朗日方法，与其本身拟合一个，通常使用数字网格离散化的方程连续相，其中颗粒在其上被跟踪格。 DEM模拟中的平均泡孔尺寸应该足够 - 小以捕获流体流的小尺度结构，然而比包裹体积更大，以避免任何数值不稳定问题与完全占用相关的细胞体积由包裹（Peng等人，2014）。然而，网格密度不是唯一的参数影响欧拉 - 拉格朗日模型所需的分辨率。因为在工业或甚至中试工厂的颗粒数也是高，每个包裹的颗粒数量是一个关键参数为CFD模型的结果准确性（Li ，2012）。结果，基于DEM或MP-PIC parcel的第二分辨率参数模拟目前在开放文献中提出。（Lu,2014）提出包裹直径应低于CFD细胞内大多数条件的簇直径。然而，关于阻力计算，应该加下划线基于EMMS的拖动方案能够解决子网格和子包裹异质性。

在这项工作中，决议因素Par，表示包裹分辨率提出了包裹与粒径的比率。这个因素量化包裹的最低所需分辨率级别方法。该比率等于颗粒数的立方根每个包裹。两个比率lr和Par是相互关联的,以下表达式：

Cr比率表示细胞与包裹长度的比率作为附加参数，在模型鲁棒性方面也很重要，因为它应该由于数值原因，大于单位，因为一个接近的值单位导致体积分数的极高的时间变化当包裹进入或退出控制体积时。

1.3拖动建模

因为，即使在欧拉 - 拉格朗日方法，如MP-PIC和粗颗粒CFD-DEM微尺度不分辨，颗粒对流体动力学的聚集效应应该建模闭合相关。在欧拉 - 欧拉方法很多研究者（Gevrin等，2008; Wang等，2008，2009; Luet al。，2009;王和刘，2010; Nikolopoulos等人，2013;Zeneli等人，2015）遵循EMMS方法192 A. Nikolopoulos et al / Chemical Engineering Science 163（2017）189-205考虑流动异质性以计算诱导的拖曳力通过气相与颗粒接触。这样的阻力模型似乎是在欧拉 - 拉

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