Изучение процесса распыла твердого топлива средствами компьютерной гидродинамики

Введение

В настоящее время выделяют несколько направлений сжигания твердого топлива: в плотном слое, в кипящем слое, факельное сжигание и сжигание в закрученном потоке. При конструировании систем сжигания твердого топлива как правило используют средства и подходы компьютерной гидродинамики (CFD), которые за почти пол века своего развития плотно закрепили себя в промышленности, как надежный инструмент решения подобного рода задач.

В основе подходов CFD моделирования многофазных потоков лежит кинетическая теория гранулярных течений (KTFG) [Gidaspow, 1992; Syamlal, 1993; Lun, 1984], где случайные отклонения в траекториях частиц сравниваются с аналогичными движениями молекул газа. Данный метод используется по сей день, но имеет ряд ограничений [Cloete, 2016], ключевым из которых является точное пространственно-временное разрешение (крупная расчетная сетка и маленький временной шаг). Промышленные реакторы с кипящим слоем, как правило представляют собой объемные системы, которые нельзя преобразовать к симметричным, либо осесимметричным постановкам, что влияет на размер расчетной сетки. С другой стороны, для изучения, например, конверсии сорбента в ходе технологического процесса могут потребоваться часы, но рассчитывать их на временном шаге порядка 0.001 с – очень затратно.

Одним из решений этой проблемой может быть подход EMMS [Li, 1994; Li, 1998], способный объединять микроструктуры в крупные образования, разрешаемые на более крупной сетке [Wang, 2007].

Частицы можно описывать кластерами при помощи DPM (Лагранжевой) постановки. В таком случае размер расчетных элементов не должен быть меньше размера частиц. Благодаря такому подходу можно предельно точно рассмотреть поведение каждой частицы в отдельности исходя из расчетных параметров кластера. Модель может быть уточнена при помощи дополнительных подмоделей столкновений кластеров, таких как DEM, Stochastic Collisionи пр.

Альтернативой использованию сложных подмоделей является подход DDPM, объединяющий Лагранжев и Эйлеров подходы к расчету многофазного потока. В областях с плотным потоком частиц включается многофазная модель Эйлера, при высоких значениях порозности (низко концентрационный поток частиц) частицы описываются моделью DPM. Таким образом, если заранее знать участки с высокими значениями порозности при использовании данного подхода можно сэкономить на размере сетки.

Для учета случайных отклонений частиц вызванными вероятными соударениями с другими частицами в модели DDPM предусмотрена встроенная модель стохастического движения Random Walk.

При работе с Лагранжевыми моделями очень важно правильно определить свойства материала в части условий контакта (сколько энергии теряется при столкновении со стенкой, либо при столкновении с частицами). В работе [Zhuo, 2018] экспериментально определялась потеря энергии по касательной к поверхности столкновения, и численно моделировался процесс адгезии и агломерации частиц.

Целью данной работы была оценка распределения частиц в объеме горелочного устройства и за его пределами.

Методика

Задача решалась в объемной постановке. Расчетная область была разбита на полиэдрическую сетку (25 млн. элементов) с призматическим пограничным слоем. Решались уравнения неразрывности, Навье-Стокса, осредненные по модели k-epsilon, уравнение сохранения энергии, а также уравнение сохранения объемной доли твердой фазы. Многофазный поток описывался моделью DDPM со встроенной функцией стохастического движения частиц Random Walk Model. Плотность частиц соответствовала плотности угля. Диаметры частиц варьировались от 10 до 1200 мкм. Скорость потока газа в устройстве составляла 15-18 м/с. Задача решалась при двух различных условиях контакта частиц со стенкой: абсолютно упругое столкновение и потеря 90% энергии после столкновения по нормали и по касательной к поверхности стенки.

Результаты

Рисунок 1 – Распределение частиц в устройстве. Сечения расстояния до среза оголовка: а) 100 мм б) 200 мм в) 300 мм г) 400 мм д) 500 мм

В отличие от DPM модель DDPM поддерживает автоматическую конвертацию результатов из формата треков в формат концентраций. Результаты расчета показывают плотное прилегание потока твердой фазы сразу после завихрителя к стенкам аппарата. По мере прохождения потока через стабилизатор частицы начинают образовывать плотные «жгуты», количество которых соответствует числу лопаток стабилизатора. На расстоянии полуметра от среза оголовка горелки «жгутов» становится меньше, они постепенно рассеиваются.

Рисунок 2 – Треки упругих частиц а) 10 мкм б) 750 мкм в) 1200 мкм

Упругие частицы сохраняют свою энергию по мере передвижения по системам аппарата. На выходе из горелки сохраняется и скорость частиц, приобретенная в ходе взаимодействия с потоком газа. В результате, расчет показывает линейные треки частиц вблизи среза оголовка.

Рисунок 3 – треки неупругих частиц, размеры в мкм: а) 1200 б) 750 в) 350 г) 250 д) 30 е) 10

Совершенно иное поведение показывают неупругие частицы. Потеряв более 90% изначально приобретенной энергии скорости частиц на выходе из оголовка уже не на столько высоки, чтобы доминировать над силами внутрифазного взаимодействия (т.е. столкновения с другими частицами). Наиболее инертные крупные частицы (а) б)) еще сохраняют линейность траекторий на расстоянии 2 – 3 м от среза оголовка. В то время, как мелкие (д) е)) показывают существенное отклонение от линии истечения газа.

Рисунок 4 – динамика падения скоростей частиц разного размера а) 30 мкм б) 10 мкм

При более детальном рассмотрении природы движения мелких частиц можно заметить существенное различие в динамике распределения скоростей частиц. Для частиц диаметром 30 мкм падение скорости до нуля наблюдается только на расстоянии 20 диметров оголовка, когда для частиц диаметром 10 мкм этот параметр почти в два раза меньше.

Заключение

В ходе численного моделирования гидродинамики двухфазного потока были определены концентрации твердой фазы в контрольных сечениях горелки, треки упругих и неупругих частиц за пределами аппарата, а также другие режимные параметры устройства. По данным расчета были сформулированы конструкторские решения по улучшению работоспособности горелки.

Список литературы

1) Gidaspow, D., R. Bezburuah, and J. Ding, Hydrodynamics of Circulating Fluidized Beds, Kinetic Theory Approach, in 7th Engineering Foundation Conference on Fluidization 1992. p. 75-82.

2) Syamlal, M., W. Rogers, and T.J. O'Brien, MFIX Documentation: Volume 1, Theory Guide. 1993, Springfield: National Technical Information Service.

3) Lun, C.K.K., et al., Kinetic Theories for Granular Flow: Inelastic Particles in Couette Flow and Slightly Inelastic Particles in a General Flow Field. Journal of Fluid Mechanics, 1984. 140: p. 223-256.

4) Cloete, S., S. Amini, and S.T. Johansen, A fine resolution parametric study on the numerical simulation of gas-solid flows in a periodic riser section. Powder Technology, 2011. 205(1-3): p. 103-111

5) Li, H., Xia, Y., Tung, Y., Kwauk, M., 1991. Micro-visualization of clusters in a fast fluidized bed. Powder Technology 66, 231–235.

6) Li, J., Wen, L., Ge, W., Cui, H., Ren, J., 1998. Dissipative structure in concurrent-up gas–solid flow. Chemical Engineering Science 53 (19), 3367–3379.

7) Wang, W. and J. Li, Simulation of gas-solid two phase flow by a multi-scale CFD approach-of the EMMS model to the sub-grid level. Chemical Engineering Science, 2007. 62 (1-2): p. 208-231.

8) Zhuo, Q.; Liu, W.; Liu, W.; Kai, P. Experimental study on the attachment behavior of coal particles and bubbles. J. China Coal Soc. 2018, 43, 2029–2035.