微小磁流化床内纳米颗粒流动特性的数值模拟研究

摘 要
微小流化床反应器由于具有较小的体积，使其不仅有很好的传热和传质特性，还可以减少污染物，利于节能，同时提高反应的效率。微小流化床引入磁场，可以强化传递与反应过程，使得微小磁流化床反应器在气固催化反应和非催化反应方面有广泛的应用。研究微小流化床中纳米颗粒的流动特性可以更好的认识毫米级尺度下流化床的流化机理，同时对微小磁流化床的应用也具有重要的价值。
本课题应用GAMBIT 2.2软件、FLUENT 6.3软件和实验室流化床系统地研究了微小流化床内纳米颗粒在不同的床内径、表观气速、颗粒粒径、分布板结构、分布板开孔率、磁场强度以及有无侧壁辅助进气等条件的流化特性和流体动力学行为。讨论了不同的操作条件对颗粒的沟流、颗粒内循环、壁效应及床层压降的影响。研究结果表明，微小流化床内颗粒随着气速的增大逐渐开始流化，当速度为0.20 m/s时，纳米颗粒被气体输送出流化床，成为输送床。纳米颗粒从开始流化到被输送出流化床，其流化介质的速度变化范围并不大，其原因为纳米颗粒粒径较小，流化前期由于颗粒间作用力较大，粘性较强，使其不易流化，而流化后期由于纳米颗粒体积较小，在被破坏了颗粒间作用力之后容易随流化介质带出流化床。纳米级颗粒的粒径在0-100 nm之间，颗粒大小对颗粒流化质量的影响较弱，流化特性并无明显差别。针对均匀布风流化床内颗粒分布不均，颗粒沿壁面上升较严重现象，设计了不均匀布风板流化床，优化了颗粒的流化效果，减少了气泡的数量，较大的改善了颗粒轴向流化质量。随着开空率的增大，气泡的体积也逐渐增加，流化床底部形成很大的气泡。随着流化床床径的增加，壁效应减弱，颗粒流化质量提高。通过在流化床侧壁辅助进气，流化床内形成旋涡较多，颗粒内循环较好，固相分布均匀，气固充分接触。
在内径20 mm微小磁流化床中，考察了磁场对纳米颗粒流体力学的影响。磁场可以抑制纳米颗粒的沟流，甚至消除，实现稳定流化。随着磁场强度增大，微小磁流化床内纳米颗粒的流化质量提高越明显。通过均匀磁场流化床的流体力学模拟，对微小磁流化床内颗粒的分布进行了研究。在不同的磁场强度下，对粒子的速度与体积分数的分布进行了分析。在微小磁流化床中随着磁通密度的增加，对颗粒的颗粒温度的分布进行了分析。模拟表明，在不同的磁通量下，固体体积分数，由于磁场的存在，颗粒磁化增加，固体体积分数降低。颗粒的颗粒温度随着磁通密度的增加而减小。
关键词：微小磁流化床 FLUENT 纳米颗粒 流态化 数值模拟
前 沿

计算流体力学随着计算机的迅速发展，在许多领域越来越受到人们关注，特别是在多相流中的应用，也越来越受到重视。对这类反应器，研究人员对多相流动过程进行了大量的模型探索和实验研究。计算流体力学模型根据流场中动量守恒定律、质量守恒定律和能量守恒定律，结合具体的相关反应过程，建立了反映气固两相流动流体力学方程组，用于描述整个反应器。计算流体力学模型的建立，有利于更详细的了解反应器，指导反应器设计、放大及优化操作。近年来，使用FLUENT模拟软件在化工领域的应用得到了快速发展。FLUENT可用于分析二维轴对称、二维平面和三维流动分析，完成流场模拟、多相流分析、定常与非定常流动分析、传热和热混合分析、多孔介质分析、化学组分混合和反应分析、可压缩和不可压缩流体的计算、层流和湍流模拟等[55]。FLUENT由于其强大的功能，模拟结果准确，受到业内人士的欢迎，并且可以结合实验步骤进行设备的优化，不仅节约时间，也降低成本。
纳米颗粒是指粒径在1—100nm之间的微型颗粒。纳米颗粒有重要的科学研究价值，搭起宏观物质和原子、分子间的桥梁。纳米颗粒由于其较小的体积和较大的比表面积而具有了新异的物理性质、化学性质和优良的表面效应。大块物质的物理性质一般与体积无关，但在纳米级的却表现出不同的性质。观测到与体积相关的物理性质，例如：半导体纳米颗粒的量子束缚，磁性材料的超顺磁性，金属纳米颗粒的表面胞质共振。研究人员制造出了类固体纳米颗粒，脂质体就是典型具有类固体特性的纳米颗粒。纳米粒子具有较多的表面活化中心，使其在催化剂方面的应用广受关注。同时纳米颗粒也可以用做磁记录材料、磁流体材料和永久磁体材料。在医学和生物工程方面，由于纳米颗粒能够穿过细胞膜，在神经细胞突触和血管间进行传播，所以用纳米粒子制成纳米机器人，对人体进行全身健康检查，清理沉积物，吞噬病毒和杀死癌细胞等。随着对纳米材料技术的深入研究，新型纳米材料将会在更多的领域中被到广泛的应用。
磁流化床技术是一种新型的高效的流态化技术，是电磁技术和流态化技术结合的产物。它不仅流化质量高、稳定性好，传热、传质效率高，可通过外场控制气泡的产生和发展，而且气固接触好，物料混合均匀，在能源化工，生物制药，食品环保等众多领域有广泛的应用。
微小流化床由于较小体积使其具有许多优于大尺寸流化床的特性，如传热和传质性能良好，反应速率高，排放率低，节约资源和能源等。过程可控和过程强化的特点可以满足一些特殊的需求条件，如高温汽化反应和热重分析等[1-2]。较小的体积和较大的比表面积使纳米颗粒具有突出的物理化学性能和良好的表面效应，在医药、催化、光学、电学等许多领域有广阔的应用前景，受到世界的广泛关注。因此，对微小流化床纳米颗粒气固分布特性的研究具有重要的实际意义。

第一章 文献综述
1.1 FLUENT软件简介
近年来，随着计算机技术发展，出现了越来越多的商业CFD软件，这些商业软件在工程界正在发挥着重大的作用。
在Phoenics软件投放市场以后，1983年，美国FLUENT Inc.公司推出了Fluent软件，它是一款基于有限体积法的通用的CFD软件。目前，Fluent软件是使用最广泛的CFD软件之一，它功能全面、适用性广，受到业内人士的欢迎，Fluent独占了全球CFD软件开发商、研究厂商市场份额三分之一以上。
Fluent软件的文本界面使用LISP编程语言，管理用户输入的命令和表达式进行，简单易学。用户可编写具有复杂功能的控制程序来控制Fluent的运行过程。
FLUENT提供了用户自定义函数（UDF）。UDF是扩展了Fluent特定功能后的外部数据接口。借助UDF，用户可使用C语言来编写扩展Fluent的程序代码描述反应的机理，动态加载到FLUENT环境中，实现反应的模拟。Fluent通过外部物性数据的输入，可以模拟多种物质同时发生化学反应，可以模拟发生在大量相中的体积反应、壁面反应、微粒表面的反应等。
Fluent提供了解释型和编译型两种C语言环境。在FLUENT中，用户可以编写任何C语言程序来实现其特定的需求。换句话说，在FLUENT中，用户可以将流体动力学计算由Fluent完成，而其他与流体无关的分析由自己编写C语言程序来完成。例如，调谐液体阻尼器（TLD）就是一种既含有流体动力学问题又包括结构动力学问题的较为复杂的情况，利用上述方法可以对TLD实现了精确分析。
一、程序的结构
FLUENT程序软件包由以下几个部分组成：
（1）GAMBIT——用于建立几何结构和网格的生成。
（2）FLUENT——用于进行流动模拟计算的求解器。
（3）prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。
（4）TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。
（5）Filters——转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。
可以接口的程序包括：ANSYS，I-DEAS，NASTRAN，PAIRAN等。
利用FLUENT软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图1-4所示。

二、使用FLUENT程序步骤
FLUENT软件进行求解的步骤较简单，具体如下：
（1）确定几何形状，生成计算网格
（2）输入且检查网格。
（3）选择2D或3D求解器。
（4）选择求解方程模型；化学组分或化学反应，层流或湍流，传热和传质模型等。根据需要确定其他模型，如：风扇、多孔介质等模型。
（5）确定物料物性。
（6）确定边界类型和条件。
（7）设定计算控制参数。
（8）流场初始化。
（9）求解计算。
（10）保存结果并进行后处理。
三、FLUENT程序应用范围
Fluent模拟软件近几年在化工领域的应用得到了快速发展。Fluent可用于分析二维轴对称、二维平面和三维流动分析，采用了不同种求解方法和多样的网格加速收敛技术，使Fluent的收敛速度能达到最佳，求解精度较高。Fluent具有成熟的物理模型，基于解算的自适应网格技术和较灵活的非结构化网格，可以完成流场模拟、多相流分析、定常与非定常流动分析、传热和热混合分析、多孔介质分析、化学组分混合和反应分析、可压缩和不可压缩流体的计算、层流和湍流模拟等[55]。Fluent由于其强大的功能，模拟结果准确，受到业内人士的欢迎。 FLUENT软件主要解决的问题如下：