第8期 娄东明等：新型氧化铝矿浆烧成炉内热过程的数值模拟 .933. 质量方程： 8.32×105,E.=4.228×104Jmol-1. 7.(W)=Sm (1) (c)能量方程的具体表达式为： 动量方程： 7.(vV)=-7P+7.t-7 2） 3P十F+Spv m,G=戏(T-T内十 (2) 4wT-T)h结-am,山） t=[(VV)十(VV)T] (3) 式中，Nu努赛尔准数，Cp为颗粒的比热容，入为气 能量方程： 体的热导率，B为传质量纲为1的质量流，σ是斯蒂 (ew)=77 7十Qa+Sph 芬玻耳兹曼常数，取为5.67X108W,K-4m2; (4) E为黑度系数，取0.95；Lw为水的蒸发潜热， 湍动能方程： 2261kJkg1. 7.(WK)= ()颗粒碰撞模型.颗粒k在流场中运动，与 -号v+7v+周-o) 其他颗粒j相碰撞的概率为： Pg=49△L (12) 湍动能耗散率方程： N 式中，乃为网格内j颗粒数的密度，kgm3;Ak为 .e7,V十 颗粒k的底面积，m2;g购为相对速度，ms1；N为 77y+[c.vv-a侧 网格内的总颗粒数， (6) 设颗粒k与颗粒在气流中相遇，仿照液滴的 其中， 碰撞模型8]，颗粒碰撞后发生合并的概率为： =CuPK2/E (7) f6=1-0.246Re号407L,0.0s6△写.28 (13) P、V、P、k、e、h和t分别为气体的密度、速度矢量、 式中，R为颗粒相对运动的雷诺数，取颗粒的相对 压强、湍动能、湍动能耗散率、焓和黏性应力张量；F 速度为特征速度，两颗粒的平均粒径为特征尺度， 为气体所受外力，本文主要考虑重力的影响；Sm、 Lpk为颗粒k的刘易斯准数，A=rk/T)为两颗粒的 Spv和Spk分别为颗粒对气体的质量、动量和能量源 粒径比 项；QR为化学反应热；：和“。分别为气体的分子 两颗粒碰撞后分开的概率为1一f·碰撞后颗 黏度系数和湍流有效黏度系数；C1、C2、C3、C分别 粒的新的速度由动量定理确定，有关此部分模型的 为湍流模型常数；h、σx、分别为气体焓、湍动能和 详细介绍，参见文献[8] 湍动能耗散率的普朗特常数， 若两颗粒合并，新颗粒的质量满足质量守恒： (2)颗粒相数学模型，对于矿浆颗粒离散相， M=mk十mj (14) 在拉格朗日坐标下研究其运动、传热及反应规律. 新颗粒的粒径为： (a)颗粒相运动方程的表达式为： D=16M/(PT) (15) y=∑E me dt (8) 网格的划分采用18×18×155的非均匀网格体 系，如图4所示， 式中，mp为单个固体颗粒的质量，V。为颗粒的速 在上述网格体系中，流场计算采用SIMPLER 度矢量：∑五，为颗粒所受的合外力，本文主要考 算法，对流项离散化采用上风格式，扩散项采用中心 虑气体曳力和重力的影响， 差分格式，代数方程的求解采用Guss-Seidle迭代 (b)水分的蒸发模型，水分的蒸发近似按多孔 法.计算采用STAR CD商用软件]. 表面总是维持一层水膜处理，采用扩散模型，有： m.=-rd,ShD,ln1+m二mc 3实验炉仿真计算结果及其分析 1一mwg (9) 3.1气相流场、温度场及压力场的基本特征 mw.s-Bwexp(Ew/RTp) (10) 图5为根据表1中参数计算所得的烧成、干燥 其中，mw,s、mw,∞分别表示在颗粒表面和气相空间 炉内速度、温度和压力分布结果.图5(a)为中心纵 水分的质量分数，d,为颗粒直径，Sh为传质谢伍德 截面上的速度分布，由此看出，热烟气以较大的速 数，Bw、Ew为饱和关系式中的动力学参数，取Bw= 度进入烧成炉以下的直管段，直管段内速度较大，进质量方程： ∇·（ρV）＝Sm （1） 动量方程： ∇·（ρVV）＝—∇P＋∇·τ—∇ 2 3 ρκ ＋F＋Sp V （2） τ＝μe ［（∇V）＋（∇V） T ］ （3） 能量方程： ∇·（ρVh）＝∇· μe σh ∇h ＋ QR＋Sp h （4） 湍动能方程： ∇·（ρVκ）＝ — 2 3 ρκ∇·V＋τ·∇V＋∇· μe σκ ∇κ —ρε（5） 湍动能耗散率方程： ∇·（ρVε）＝— 2 3 C1—C3 ·ρε∇·V＋ ∇· μe σε ∇ε ＋ ε k ［ C1τ·∇V—C2ρε］ （6） 其中‚ μe＝μt＋Cμρκ2／ε （7） ρ、V、P、κ、ε、h 和τ分别为气体的密度、速度矢量、 压强、湍动能、湍动能耗散率、焓和黏性应力张量；F 为气体所受外力‚本文主要考虑重力的影响；Sm、 Sp V和 Sp h分别为颗粒对气体的质量、动量和能量源 项；QR 为化学反应热；μt 和 μe 分别为气体的分子 黏度系数和湍流有效黏度系数；C1、C2、C3、Cμ 分别 为湍流模型常数；σh、σκ、σε分别为气体焓、湍动能和 湍动能耗散率的普朗特常数． （2） 颗粒相数学模型．对于矿浆颗粒离散相‚ 在拉格朗日坐标下研究其运动、传热及反应规律． （a） 颗粒相运动方程的表达式为： mp d V p d t ＝ ∑ Fp （8） 式中‚mp 为单个固体颗粒的质量‚Vp 为颗粒的速 度矢量；∑ Fp 为颗粒所受的合外力‚本文主要考 虑气体曳力和重力的影响． （b） 水分的蒸发模型．水分的蒸发近似按多孔 表面总是维持一层水膜处理‚采用扩散模型‚有： mw＝—πdp ShDpln 1＋ mw‚s— mw‚∞ 1— mw‚s （9） mw‚s＝Bwexp（— Ew／RTp） （10） 其中‚mw‚s、mw‚∞分别表示在颗粒表面和气相空间 水分的质量分数‚dp 为颗粒直径‚Sh 为传质谢伍德 数‚Bw、Ew 为饱和关系式中的动力学参数‚取 Bw＝ 8∙32×105‚Ew＝4∙228×104 J·mol —1． （c） 能量方程的具体表达式为： mp Cp d Tp d t ＝πd 2 pσε（ T 4— T 4 p）＋ πdp Nuλ（ T— Tp） ln（1＋B） B — mw L w （11） 式中‚Nu 努赛尔准数‚Cp 为颗粒的比热容‚λ为气 体的热导率‚B 为传质量纲为1的质量流‚σ是斯蒂 芬—玻耳兹曼常数‚取为5∙67×108 W·K —4·m —2 ； ε为黑 度 系 数‚取 0∙95；L w 为 水 的 蒸 发 潜 热‚ 2261kJ·kg —1． （d） 颗粒碰撞模型．颗粒 k 在流场中运动‚与 其他颗粒 j 相碰撞的概率为： Pkj＝ njAkgkjΔt N （12） 式中‚nj 为网格内 j 颗粒数的密度‚kg·m —3 ；Ak 为 颗粒 k 的底面积‚m 2 ；gkj 为相对速度‚m·s —1 ；N 为 网格内的总颗粒数． 设颗粒 k 与颗粒 j 在气流中相遇‚仿照液滴的 碰撞模型［8］‚颗粒碰撞后发生合并的概率为： f kj＝1—0∙246Re 0∙407 kj L —0∙096 pk Δ—0∙278 kj （13） 式中‚Rekj为颗粒相对运动的雷诺数‚取颗粒的相对 速度为特征速度‚两颗粒的平均粒径为特征尺度‚ Lpk为颗粒 k 的刘易斯准数‚Δkj＝ rk／rj 为两颗粒的 粒径比． 两颗粒碰撞后分开的概率为1— f kj．碰撞后颗 粒的新的速度由动量定理确定．有关此部分模型的 详细介绍‚参见文献［8］． 若两颗粒合并‚新颗粒的质量满足质量守恒： M＝ mk＋ mj （14） 新颗粒的粒径为： D＝ 36M／（ρπ） （15） 网格的划分采用18×18×155的非均匀网格体 系‚如图4所示． 在上述网格体系中‚流场计算采用 SIMPLER 算法‚对流项离散化采用上风格式‚扩散项采用中心 差分格式‚代数方程的求解采用 Guss—Seidle 迭代 法．计算采用 STAR—CD 商用软件［9—11］． 3 实验炉仿真计算结果及其分析 3∙1 气相流场、温度场及压力场的基本特征 图5为根据表1中参数计算所得的烧成、干燥 炉内速度、温度和压力分布结果．图5（a）为中心纵 截面上的速度分布．由此看出‚热烟气以较大的速 度进入烧成炉以下的直管段‚直管段内速度较大‚进 第8期 娄东明等： 新型氧化铝矿浆烧成炉内热过程的数值模拟 ·933·