一、概述

我们在工程上常会遇到一些意想不到、非常规的流动问题。有的是工质的流动状态似流体而非流体，不符合流体动力学原理；有的是流动工质有一些特有的、非常见的性能指标，需要设定新的物理量概念；有的是所研究的模型几何域过于庞大，需要合理的简化；有的是多种工质间的传质规律没有理论描述，需要基于实验数据开发新的理论公式，等等。

 我司在从事流体动力学数值模拟的仿真实践中，也会常遇到类似上述的问题。在流体动力学基本计算程序的基础上，我们可以通过二次开发编程，解决大部分非常规流动问题。下面，就以我们模拟的一个“堆积床动态传质”的复杂案例，来简要说明我们在这方面所具有的能力。

二、堆积床动态传质的二次开发案例

本案例模拟的内容是一型生物质热解炉料层热解及燃烧反应，其工艺情况是：底部为生物质颗粒的堆积料层区，物料通过螺旋搅拌机构上下翻转并缓慢向前推进，顶部为燃烧室；通过人为外加的初始阶段的热解热量，料层区颗粒开始热解并向燃烧室析出有机混合气体；配合进风喷口的常温空气供应，热解混合气持续保持中低温燃烧，并通过气体对流和气体辐射向下部料层传递热量以维持持续的热解；料层在热解的过程中质量会减少，沿轴向的高度逐渐变小；空气量合适的话，上、下气体和固体区域均能保持温度场的动态稳定。另外，该工艺中，在料床侧面的入口侧有热解风加注（常温空气），料床侧面的出口侧有水蒸气加注（大于100℃）。

示意图见下图：

  1. 模拟技术难点

   （1）底部生物质颗粒粒径较大，该床层属于“堆积床”。虽然生物质颗粒处于动态搅拌中，但其中的气体空隙体积占比仍然很小，与多相流气-固“流化床”的状态差距很大，整个床层不具备真正的流体流动性，不符合流体动力学的原始定义，无法直接模拟。

   （2）热解气的析出速率随料层温度动态变化，料层所有质点位置也是动态变化，使得析出燃料气体源的边界条件确定极为复杂。

   （3）料层高度需根据热解气的析出速率有一个动态下降要求。

   （4）料层内的温度分布，沿轴向可以缓慢变化；但由于螺旋搅拌的影响，在轴线某点处的横截面上要求基本没有温差。

总体来说，本案例的技术复杂程度在CFD模拟项目中算是非常高的。

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  2. 二次开发情况简介

    面对以上困难，我司在整个下部料层区域单独设定一种新的物质，各要素、变量的求解，以单独编程的形式作二次开发，并与上部气体区域流体动力学主程序相连结。新物质的密度以堆积密度为准。在紧靠梯形等截面料层区的顶面上方，我司设置了一层数据耦合气体薄层区，下部料层区和上部燃烧区之间的热量耦合、气体组分耦合、辐射热吸收等，均在这一气体薄层区通过自编程完成，料层区加注的热解风和水蒸气，也在这个薄层区析出。

    通过上面提到的二次开发辅助模块，并配合后期长时长的多组分扩散和燃烧反应动态模拟迭代，我司最终获得了与当前炉内实际稳定运行状态基本相符的底部料层高度分布，同时也为后期的工艺优化模拟奠定了良好基础。

  3. 部分结果图片

以下三图分别为在气体薄层区析出的热解气、热解风和水蒸气的源项位置示意图。其中，热解气析出速率与料层的温度有关联，下图靠中间的大红色区为热解速率大波峰，靠左边黄色区域为次波峰。

热解气源项位置

（大红色为热解速率波峰）

热解风源项位置

水蒸气源项位置

下面两图为热解-燃烧工况稳定以后的总体温度场分布。料层高度下降最快的位置，与前面图中热解速率波峰的位置一致。料层横截面的温度是均匀的。气体区底部的局部低温是因为热解风和水蒸气的加注，中间的高温区即为火焰中心区。

总体温度场-纵向截面

总体温度场-横向截面

下面两图为料床单独的正视放大图，颜色比例尺分别代表料床高度系数和温度。

其中，h0代表料床入口处的总高度，h代表沿输送轴不同位置的实际高度值，入口处的料床高度系数h/h0为1.0。料床高度在起始段下降很慢，下降最快的区段是床层中部，在料床末段下降又趋缓。

纵向截面料床高度系数h/h0

纵向截面料床温度分布。

下图为热解气的组分质量浓度场。可见，热解气2个极高浓度的区域主要位于燃烧室底部的气体薄层区附近，具体位置分别对应<热解气源项位置图>中的大波峰和次波峰；燃烧室中部的中低浓度区，恰恰对应的是火焰中心区。

热解气-组分质量浓度场