单气泡注入

在鼓泡流化床中观察到的气泡的另一种变化形式是 Boyce 和同事 [BPLPM19] 的详细单气泡研究。在实验中，通过一个均匀的分布器使圆柱形床达到初始流化（刚好*低于*最小流化）。然后，从床中心的一个喷嘴突然注入额外体积的气体，导致形成一个单独的气泡并在床中上升。气泡形成、上升过程的演变通过在床中心的10毫米厚的切片中使用高速、高分辨率的磁共振成像（MRI）进行测量。实验研究了两种颗粒类型，目前仅使用较大的颗粒进行定性基准测试。

实验测试部分是一个直径190毫米、高300毫米的圆柱形床。系统在一个大小为192毫米见方、高384毫米的域中建模，圆柱形 EB 几何位于 \((x,z) = (96, 96)\) 毫米处。模型化床高度比实验要大，以便可以用功率为2的均匀 CFD 网格解析。具体而言，应用的网格为 \(32 \times 64 \times 32\)，使得 \(dx^* \approx 2.0\)。 \(N_p = 260\)-千颗粒组成了大约 \(h_{bed} = 200\) 的静态床高。颗粒的直径为 \(d_p = 2.93\) 毫米，密度为 \(\rho_p = 1040\) 千克/米³ 。质量入口和压力出口边界条件分别在域的底部和顶部指定。喷嘴通过覆盖中心（在 x,z）四个 CFD 单元的二级质量入口建模。我们注意到，按模型化，喷射器的面积大约是实验喷嘴的三倍，实验喷嘴为直径 \(7.95\) 毫米的管。注入时间稍微调整为 \(\delta t_{inj} = 154.2\), \(101.7\), \(66.7\), \(51.4\), 和 \(25.0\) 毫秒，以便在所有情况下都可以应用均匀的喷射速度 \(50\) 米/秒。

首先进行了一次单独的去流化模拟，以使用 WenYu [WY66] 阻力定律确定 \(U_{mf} \approx 0.66\) 米/秒，略低于实验测得的值 \(U_{mf} = 0.7\) 米/秒。床通过两次初始化模拟准备好。首先，颗粒初始条件在 \(U_{mf}\) 之上以 \(0.8\) 米/秒流化一秒，使用均匀分布器和喷射部分。然后，关闭喷射部分（在 BC 中将速度设置为零），并将均匀分布器部分的流量减少到初始流化在 \(0.66\) 米/秒，再持续两秒。然后，从 \(t = 3\) 秒开始，喷射区域设置为 \(50\) 米/秒，持续时间如前所述。喷射通过在 usr1.f90 中的阶跃变化开关开启和关闭。

图 24 实验和 MFIX-Exa 模拟的比较，用于注入到初始流化床中的单气泡，随着（从左到右）注入时间的增加。

上图提供了 MFIX-Exa 19.08 模拟结果与实验测量的比较。在这两种情况下，颗粒数据都被平均到 \(10\) 毫米厚的 \(21 \times 32\) 网格上。对于较长的注入时间， \(\delta t_{inj} \approx 100\) 和 \(150\) 毫秒，模拟的气泡比实验观察到的更大并且更长。然而，这一趋势并不普遍，在较短的注入时间内，气泡太小，实际上在表面喷发前就塌缩了。上图中，从 \(50\) 毫秒注入产生的气泡目前正在塌缩过程中。另一个有趣的特征（可能在 \(66\) 毫秒时最明显）是围绕气泡质心的 V 形颗粒下流区域，这在模拟中似乎被很好地捕捉到了。