基于Fluent软件的分选流化床在生物质应用教学案例分析*

付 鹏，姜 文，张玉春，唐秋燕，吕致琳，李治宇

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000)

生物质热化学转化原理是一门理论性强，与生产实际联系紧密的一门课程，是搭建在理论与实践之间的桥梁。许多学生建立工程概念之前都会接触到这一门课程，但它又有着计算量巨大、逻辑性极强和概念知识晦涩难懂的特点，很容易让学生望而生畏。如何让学生入门，成为了该课程教师的攻坚问题。2016年6月23日，教育部发布《教育信息化“十三五”规划》，《规划》指出教师的信息化教学水平是学校办学水平的评判指标之一。为贯彻教育部信息化教学理念，完善化工原理教学体系，解决生物质热化学转化原理课程学生接受程度低的问题，有不少老师将Fluent软件引入到了教学课程当中。目前国内外的专家学者都对流化床进行的深入的研究，在2013年，王东[1]利用有限元分析软件ANSYS对振动流化床进行热力耦合，他发现将温度作为应力变量施加在模型之上，进行模拟分析，发现了设备在不用振动频率的应力和温度下的刑辩能力。2015年，陈家权等[2]用有限元法对流化床的振槽部分，按最大受力条件进行静力分析、模态分析和谐响应分析，根据应力分布情况，对振槽进行优化改进。

Fluent仿真模拟是通过有限元分析中的数学方法进行分析简化之后的物理模型[3]，来还原其真实的运动状况(流场，几何和载荷分布)。有限元分析通过数值分析和微分方程十分方便的解决了很多人们之前难以解决的问题，以非常直观的方式(图片和动画)来展示计算的结果，极大的推动社会的发展。气固两相流在化工、煤矿行业、航空航天、新能源等行业应用[4]广泛；例如在食品、化工和新能源[5]行业，需要对流体流量进行检测，控制流量的精确程度很大程度上会改变反应的结果，从而影响实验的结论，多于流量的检测至关重要。但是在流量控制方面也存在着很多需要解决的问题，因为流体涉及的种类繁多，不仅有单相流还有多相流的检测，最重要的两个问题就有质量流量监测和体积流量监测。气固两相流有很多重要的参数，固相的质量就是其中之一，它的精确计量会对各领域的生产发展有重要意义，例如坩埚燃烧中的流固耦合、生物质原料各类的秸秆去杂质、去硫脱氮保护生态环境方面都有着非常大的贡献。但是生物质燃料进行燃烧如何增加燃烧效率，提高生物质的利用率是可以利用两相流通过Fluent解决；固体颗粒浓相气力输送是一个非常复杂的气固两相流系统[6]，随着固体颗粒的不断输入，反应器中的固体颗粒会受到气场的影响、颗粒之间的碰撞和颗粒对壁面之间的碰撞都会改变他们的运动轨迹。固体颗粒在反应器中会受到撞击、滚动、滑动等多种不同形式的运动状态；固体的流动形式也可以分为二次流、分离流、剪切流等多种流动形式；通过Fluent数值模拟两相流的运动结果不仅能够节约成本和时间，还能够增大实验的便捷性和可调试性。

目前，生物质的不断发展和新能源方向的不断成熟，生物秸秆的利用不断增加，通过对玉米，稻谷等的秸秆制粒可以提高生物质的利用率，延长保质水平的作用，所以生物质的制粒过程备受关注。玉米秸秆经过粉碎，制粒成的生物质颗粒存在密度不均等一系列的问题[7]，密度不均的颗粒会造成生物质颗粒利用效率不高的问题，如燃烧的效率差，分解时浓度不够等一系列问题。通过分选流化床我们可以将密度不同的生物质颗粒进行分选，将密度不够的颗粒进行再加工，具有干燥，提质等优点[8]。分选流化床具有结构简单，方便检修，在生物质方向具有很大的应用潜力，本文我们以玉米秸秆生物质颗粒作为物料，简化流化床模型，将秸秆颗粒的密度分选作为教学的案例[9]。

本文利用Fluent中的流体模块来分析流化床物料的分层，实际就是气固两相流的原理(气就是我们案例中的所通的空气，还可以通其他不同的气体，固体我们选用的是秸秆的生物质颗粒)。主要研究气固两相流流化床装置设计及基于欧拉模型[10]的Gidaspow模型数值仿真。在气相的输送过程中，为了充分考虑其固体与固体之间的相互碰撞以固体与壁面之间的碰撞，我们可以建立实验装置的模型，通过Fluent进行仿真计算，还原出固相和气相的变化以及颗粒的运动，从而解决我们实际问题。

1 Fluent软件

Fluent是通过微分方程和数值分析以及建立起来的精密的物理模型来提供用户准确的仿真，来模拟湍流，层流，多相流模型中的VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型，传热模型、组分运输模型、动区域模型、动网格模型等很多复杂的流动模型[11-12]，它的求解器基于微分方程和动量和能量方程提供很多流体流动的解法，分别有压力分离算法、基于密度的耦合显示算法、基于密度的耦合隐式解法、耦合压力基算法等。如今的电脑飞速发展，CPU处理器的性能不断提高、处理的核心也不断增多，Fluent可以将不同的核心运用处理不同的问题，并行处理计算方程，极大缩短的计算的时间，提高计算的效率这也是Fluent的一大优点。

Fluent的应用不仅局限于此，为了满足用的一些特殊要求，Fluent系统开发了一些供需求者需要的二次开发接口(user defined function，UDF)功能[13]，是用户自编的程序，采用用户所熟悉的C/C+语言编写，用户可以编译自己汇编程序，然后加载到Fluent的运算环境当中，从而满足特殊的条件需求。Fluent除了供UDF使用的二次接口，还可以使用Scheme 语言[14]进行二次开发。C语言的汇编程序一般都是先指定头文件，然后定义Fluent能识别的变量通过计算方法表达参数的变化，Scheme语言不同于C语言，它是由Lisp语言一步一步发展形成，他的汇编方式很特殊，表达式用括号括起来，括号里面的第一个出现的是函数名或者操作符，其它是参数。

1.1 Fluent软件的操作流程

(1)物理问题抽象化：这一步的目的是我们要明确我们要解决的问题，我们通过将问题抽象出物理模型，通过所拥有的物理量去计算解决问题，同时也要注意处理问题的一些细节点。

(2)计算域确定：在确定了计算内容之后紧接着要做的工作是确定计算的空间。这里的关键就是建立简化的模型。在几何建模的过程中，我们需要考虑很多参数计算，那些无关参数我们需要去除，那些有效数据我们需要考虑，这些都将会直接影响仿真的结果。

(3)划分计算网格：当几何模型建立完毕之后，我们紧接着就是划分网格，流场复杂的部分我们可以画的比较精确，流场简单的地方我们可以网格画的简略一些，有膨胀系数的壁面要添加膨胀。网格不是越小越好，适合计算、节约时间根据实际问题觉得网格大小就行。

(4)选择物理模型：根据需要解决的不同问题，我们需要匹配相关的流体模型进行计算，我们可以根据问题选择湍流模型、层流模型、传热模型、多相流模型、组分运输模型还是动网格模型，从而方便解决问题。

(5)确定边界条件：在确定计算域的过程中，我们其实就已经定义了各部分的位置，确定边界条件就是在各个部分确定具体数值，例如本文案例中的下面部分是inlet，上面部分是outlet，左右两边是walls，然后我们设置入口速度，出口压力，walls摩擦系数等参数。

(6)设置求解参数：以上工作完成之后，我们就开始设置求解的参数。其中就包括了一些曳力模型，粘度模型，求解的精度，初始床层的确定，收敛的精度等。若为瞬态计算，我们还需要设定图片的保存，动画的设定等。

(7)初始化并迭代计算：在进行迭代计算之前，往往需要进行初始化。对于稳态计算，选择合适的初始值有助于加快收敛，初始值的设定不会影响到最终的计算结果。而对于瞬态计算，则需要根据实际情况设定初始值，初始值会影响到后续时间点上的计算结果

(8)计算后处理：计算完成后，我们可以保存自己之前设定的图片和动画，这些动画所展示的数据都是经过精密迭代计算而来，我们为了清楚的对应到需要解决的问题，可以将其对应的云图，粒子的速度图打开，观察分析数据，从而解决问题。整个的操作流程如图1所示。

2 Fluent模拟生物质方向教学实例

生物质方向涉及的领域非常的广，我们对列举玉米秸秆生物质颗粒的分选课题，查阅资料颗粒的密度为1 100 kg/m3，粘度定位1.79 kg/(m·s)，颗粒直径5×10-4m[15]。

(1)为了能比较清楚的展示出更分选流化床的床体，我们可以建立一个B×H(0.2×1.2)m的二维几何模型；

(2)处于计算方便的目的，我们设定通入的气体的参数恒定不变；

(3)分选流化床床层内的固体颗粒尺寸一致，且规则。

按以下参数进行Fluent流化床的模拟分析，见表1。

表1 数值参数Table 1 Numerical parameters

2.1 划分计算网格

进入Meshing界面进行网格设置，我们主要通过设置单元尺寸、平滑程度、伸展度、网格图形、长宽比等等来确定网格，通过检查网格的质量生成的数值来确定网格的好坏。当我们设置网格时，我们默认正方形单元，长宽比为1是较好的单元，无特殊情况，方体的网格的长宽比不会超过5。我们也可以使用Gambit[16]进行制作网格，一个好的网格能极大极高云图的效果，计算的效率。根据实际运算，我们设定用CFD中5 mm大小的网格进行Fluent的计算，如图2所示。

图2 网格划分及边界条件Fig.2 Meshing and boundary conditions

2.2 根据参数选择模型设置边界条件

将划分好的网格导入到Fluent中进行求解器的计算，我们采用Pressure-based的Transient求解器；选用基于压力—速度的耦合的Simple算法，两相流动的动量方程、连续性方程和k-ε采用一阶迎风式；设定表观风速、出口压力，如图3所示。

图3 计算方程设定Fig.3 Calculation equation setting

2.3 初始化并进行迭代

我们采用Fixed类型，User-Specified的方法，时间步长设置为0.001 s迭代3 000步，总共3 s钟计算收敛，如图4所示。

图4 迭代计算参数Fig.4 Iteratively calculated parameter

2.4 计算后处理模型校核修正

如图5所示，我们分别截取了流化床四个不同时刻颗粒体积分数的瞬时图，左边图像的颜色深浅代表不同体积分数的固体颗粒。右边则是不通气情况下，不同时刻的固相分布，通过图5，我们能够分析得出，流化的效果大致承对称状态，从0.5 s我们能够发现床层开始分层，气泡开始涌入，慢慢上升，在1～2 s之间，我们发现气泡不断上升，直到最后离开床层，已经出现了分层的现象，在2～2.5 s之间，固体颗粒的流化状态逐渐趋于稳定，物体的固相随着气相的作用达到了稳定流化的效果，固相也有了比较明显的分层。

图5 颗粒体积分布Fig.5 Particle volume distribution

3 教学环节分析

在生物质热化学转化原理课程应用Fluent软件，能够大大提高学生对问题的理解能力。Fluent的仿真模拟也极大程度上减少了很多教学成本，我们可以先通过仿真，在理论上实现以后，在通过建立模型验证仿真结果的准确性。通过模拟流化床分选生物质颗粒，通过学习让学生感受Fluent的实用性，具体的教学环节分析：

(1)教学多样化，课堂更加有趣

在传统的教学环节中学生往往都是以做实际操作的形式完成实验，然而有些实验过程难以理解，且实施过程困难，可以通过Fluent的引入，反应内部以动画形式展现在屏幕上让学生能感受课题的乐趣，增加对知识点理解。

(2)提高教学安全，节约教学成本

在课堂教学过程中往往需要做很多相关的实验，然而有些过程内部难以展现，同时也伴随着很多的安全隐患，如果我们引入Fluent就能够提高课题的范围。学生在学习过程中，也可以更换变量进行模拟实验，完成自己的实验目的，上机操作几乎零成本，既节约了实验成本，又能够提高教学的安全性。

4 结 语

通过对本文的案例学习，能够让学生们通过Fluent仿真模拟的学习，了解Fluent的建模、划分网格、设定边界条件、设置迭代方程、保存动画、分析问题的流程操作，有利于培养学生的开创性思维和思考问题的能力。将Fluent应用到生物质热化学转化原理课程当中十分有必要，将Fluent仿真软件和实验课程相结合，开阔了学生视野，提高了教学效率，为教学改革提供可参考的路线。