浙江工业大学硕士学位论文
第2章 送粉器模型的建立与参数的选择
2.1 沸腾式送粉器基本原理及建模
沸腾式送粉器的基本结构如图2-1所示，它通过沸腾进气使粉末在气流的作用下通过小孔进入输送管中，再由送粉气路将粉末加速并送到送粉喷嘴进行激光熔覆。沸腾气流分别从下端沸腾进气口和上端沸腾进气口同步送入送粉仓，以使粉末进入临界流化或流化状态。粉末仓下端有筛网以防止粉末落下而堵住下端沸腾进气口。另外，本文实验用的送粉器送粉管直径为2mm，连接送粉仓与送粉管的小孔直径为1mm。
气流出口 上端沸腾进气口 70mm 20mm 送粉进气口 粉气出口 高度H 下端沸腾进气口 图2-1 沸腾式送粉器结构原理图
由于该送粉器并不具有轴对称性，无法简化为二维模型进行模拟，三维模型计算的要求较高，计算时间久，但其更能真实反映送粉器的送粉过程。因此本文运用Gambit软件进行三维建模，其尺寸则根据实验用的送粉器尺寸，以便模拟结果可得到实验的检验。划分网格后，如图2-2所示，针对不同的区域分块画上结构与非结构网格，并在重要区域进行网格加密，尤其是粉末从粉仓中通过只有1mm直径的小孔进入送粉管中，这些地方网格数量会影响最终结果的准确性。
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本文网格质量(EquiSize Skew)控制在0.7以内即可得到较好的收敛效果，网格数
图2-2 送粉器数值模拟网格模型
大于15万。在下端沸腾进气口，上端沸腾进气口和送粉气流入口均设为速度入口，粉末送出口和上端的气流出口均为压力出口。
2.2 边界条件及其他参数的确定
2.2.1 曳力系数的计算
根据文献资料，对多数流速低的工况，Syamlal-O’Brien，Gidaspow和Wen-yu等均出现曳力过大等现象。本文将引入应用工况与该类送粉器类似的曳力模型，并进行相应的修正，以使曳力模型适用于本文低流速的情况。
根据本文研究的实际情况，需要输送的粉末粒径(90μm)属于A类颗粒粒径范围（30μm~100μm），用于粉末沸腾的气流流速为0.02m/s左右，镍基合金粉末密度远大于气体密度等特点，Mckeen曳力模型和Zimmermann提出针对Syamlal- O’Brien模型的修正所应用的工况与本文相似。
考虑到Syamlal-O’Brien曳力模型适用的最小流动速度为0.25m/s，超出了本文模拟的情况。因此根据Zimmermann[49]提出的针对最小流化速度的修正模型，通过修改参数P和Q来修正最小流化速度(式1-10中)。并对临界流化速度低的
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A类流化催化裂化颗粒进行仿真，其结果也得到了实验的验证。
经过推到后得到P和Q的计算如下[50]：
P?(其中
vgdp?g(1?0.06Rets)?g?gRets??g4.14)/(0.06?g1.28Rets) (2-1)
4.82?2.524Ar/3?4.82 (2-2)
Rets?()1.26
Ar?(?s??g)ds?gg3
(2-3)
?Q?1.28?log(P)/log0.85 (2-4)
根据实验的粉末颗粒参数及气流的速度等，vg为0.02m/s，其对应的沸腾气流量为2.6L/min，该气流量是送粉实验中常用沸腾气流量。经计算采用P和Q分别为0.254和9.72对Syamlal-O’Brien模型进行修正。
由于流态化过程中颗粒相的团聚会导致曳力减小，因而由Mckeen[51]提出了在Gibilaro[52]模型的基础上引入了一个常数修正因子C的模型，C介于0.15到1之间，该曳力模型是对雷诺数的连续性函数。且Mckeen对A类颗粒的仿真结果与实验相符。其曳力表达式如下：
?17.3??gup?ug?1.8Kgp=C??0.336??p?p (2-5)
dp?ReP?图2-3 Mckeen等给出的参数C与等效颗粒直径的关系[41]
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