喷动流化床流动特性数值模拟

为了捕捉喷动流化床中微观层次上的颗粒运动信息,建立了基于CFD的二维非稳态喷动流化床欧拉-欧拉两相流模型。分析了不同流化气速对喷动流化床气固流动特性的影响,即不同工况下的炉内压力降、颗粒浓度、床内空隙率分布、气体速度分布和固体颗粒速度分布。数值模拟研究结果表明:随流化气速的增大,压降和炉内平均空隙率逐渐增大,密相床层高度逐渐增加,沿着轴向方向的气体流量增大,喷动气的射流深度逐渐增加,同时射流半径也逐渐增加。     

提升管-环流床耦合反应器环流床内的固含率分布

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在提升管-环流床耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床内局部固含率分布及操作条件的影响,采用径向不均匀指数分析比较了提升管上端耦合环流床及耦合常规流化床的流化质量. 结果表明,环流床内固含率随表观气速增加而减小,导流筒底部固含率随外循环强度增加而增加,中上部固含率受外循环强度影响较小,环隙内固含率随外循环强度增加略有降低. 当导流筒内表观气速Ug,d<0.85 m/s时,固含率径向分布的均匀性沿轴向向上逐渐变好,当Ug,d≥0.85 m/s时,则沿轴向向上先变好,在导流筒出口处又变差;环隙内固含率分布趋于均匀的程度依次为环隙中部>环隙下部>环隙上部. 相同条件下,环流床内固含率分布的径向不均匀指数小于常规流化床.     

导向管喷动床内单相流场及声波对流场影响的数值模拟

为阐明超细粉在声场导向管喷动流化床内的流化机理,并为进一步优化和完善床层结构及操作条件提供基础,采用标准k-ε湍流模型计算了导向管喷动流化床内的单相气体流场,考察了进口流化气速和射流气速对气体流动规律的影响,以及声场对导向管喷动流化床内气体轴向速度分布及其脉动均方根的影响。结果表明:在高速射流条件下,导向管喷动流化床内气体呈内循环流动,气体循环流量随流化气速度的增加而减小,但随射流气速度的增加而增加;外加声场使环隙区和喷泉区的气体流动更加均匀,显著增加环隙区和喷泉区气流的湍动程度,且湍动程度随声压级的增大而显著增大,随声波频率的升高而小幅度降低。     

空气-SRNA-4催化剂磁稳定床的流动特性

床层压降、最小流化速度、固含率及其分布和气相返混系数是气固磁稳定反应器放大与优化所必需的基础数据.采用压降法、光电法及瞬态点源示踪技术试验研究了以SRNA-4催化剂为固相的气固磁稳定床的流动特性.试验结果表明:最小流化速度、最小流化状态下的床层空隙率与磁场强度无关;固含率的径向分布基本均匀;磁场强度的增大抑制了颗粒的运动,使得局部固含率略微增加;空塔气速的增加促进了气固磁稳定床的膨胀,使得固含率减小;粒径较小时,随磁场强度及气速的变化贝克来数(Pe)变化不大;粒径较大情况下,Pe随气速增大而减小,随着磁场强度的增大,先增大后减小.试验获得了最小流化速度、固含率和床层高度的关联式,预测值与试验值吻合良好.     

微小流化床流化特性分析

在内径4.3, 5.5, 10.5, 15.5, 20.5和25.5 mm的6个气固微小流化床中,考察了石英砂和不同粒径的催化裂化催化剂的流化特性. 研究了流化床尺寸、颗粒及流化介质物性对微小流化床床层压降及最小流化速度的影响. 结果表明,不同颗粒及流化介质的微小流化床床层压降实验值均小于计算值. 传统的压降关联式不能直接用于微小流化床. 其最小流化速度随床径减小呈指数增大,在高径比1:1~3:1范围内,最小流化速度随料高增大近似呈线性增大,其增大速度随床径增大而变缓. 基于实验数据得出了微小流化床最小流化速度的关联式.     

内循环微型流化床流动特性

针对开发适用于化学气相沉积反应动力学研究的微型流化床反应分析仪的应用需求,研究了外径为30 mm的内循环微型流化床中气固流动特性,具体考察了中心射流管伸入高度、内导流管直径和颗粒装载量对实现固体物料内循环的最小操作气速和导流管与环隙区间窜气的影响。结果表明,随着射流管伸入高度的增大,实现颗粒内循环流动的最小操作气速变大;存在最优的导流管直径（20 mm）,使得实现颗粒环流的最小操作气速较小;增大颗粒装载量有利于降低颗粒内循环的最小操作气速。通过检测示踪气体在环隙区内的质谱信号,发现在所考察的参数范围内,反应器底部不存在导流管区向环隙区的窜气;在反应器上部,由于颗粒对气体的夹带,环隙区上部总能检测到示踪气体,且窜气特性随操作气速的增大而增强。研究结果可为设计适用于化学气相沉积反应的内循环微型流化床反应器提供参考。     

内循环微型流化床流动特性

针对开发适用于化学气相沉积反应动力学研究的微型流化床反应分析仪的应用需求,研究了外径为30 mm的内循环微型流化床中气固流动特性,具体考察了中心射流管伸入高度、内导流管直径和颗粒装载量对实现固体物料内循环的最小操作气速和导流管与环隙区间窜气的影响。结果表明,随着射流管伸入高度的增大,实现颗粒内循环流动的最小操作气速变大;存在最优的导流管直径(20 mm),使得实现颗粒环流的最小操作气速较小;增大颗粒装载量有利于降低颗粒内循环的最小操作气速。通过检测示踪气体在环隙区内的质谱信号,发现在所考察的参数范围内,反应器底部不存在导流管区向环隙区的窜气;在反应器上部,由于颗粒对气体的夹带,环隙区上部总能检测到示踪气体,且窜气特性随操作气速的增大而增强。研究结果可为设计适用于化学气相沉积反应的内循环微型流化床反应器提供参考。     

基于图像法喷动床内空隙率研究

利用图像二值化方法处理图片,并采用Matlab编程实现空隙率的测量,从微观层次分析空隙率对喷动流化床内流动状态的影响。研究了颗粒粒径、喷口数量和表观气速对空隙率分布的影响。结果表明,增大表观气速使床层底部的稀相区增大,床层膨胀高度增加,空隙率也随之增加。增大颗粒粒径会增大最小临界流化速率,所以在其达到流化状态后流化床内颗粒粒径增大,床内喷动区空隙率减小比较明显。在相同条件下,与单喷口相比双喷口在床层底部附近存在合并射流,同时颗粒能到达的高度显著增加,底部两侧停滞区面积减小。结合对空隙率的分析,提出一种新的表征流化床内流化状态的参数(流化指数),可以直观地表示流化床内颗粒的流化状态。     

超细粉在内循环流化床中的流态化特性

在内径120 mm的半圆柱形内循环流化床中,以平均粒径387 nm的Ti O2为原料,考察了单独通入流化气、射流气和同时通入流化气和射流气三种流化方式下超细粉的流化特性以及射流气速对超细粉聚团尺寸的影响。结果表明:同时通入流化气和射流气时,流化气能促进粉体循环,消除环隙死区;高速射流能有效破碎聚团,显著减小聚团尺寸,从而使超细粉在环隙区与导流管之间形成稳定循环,小聚团在环隙区实现平稳流态化。随着射流气速的增大,聚团尺寸减小,粒度分布变窄,在射流气速分别为60,90,120,150 m/s的条件下,聚团平均直径分别为194,158,147,135μm。     

大型射流床流动特性实验研究

在内径 5 0 0 mm的大型半圆型流化床中 ,以属于 Geldart D类的小米为试验物料 ,使用的半圆形喷口内径 42 mm。利用多路压力信号快速循环采集系统和快速傅立叶变换分段功率谱方法采集和处理数据。结果表明射流崩塌的频率随喷口射流气速的增大而增大 ,随静床高度的增大而减小。同时应用摄像法 ,考察了射流深度与喷口射流气速、静床高度的关系 ,结合 30 0× 5 0 mm二维射流床的实验结果 ,得到了射流深度的定量关系式     

稠密气固两相流动的颗粒二阶矩方法及鼓泡床流化特性的模拟

采用颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型。应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭。考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型。数值模拟鼓泡流化床内气固两相流动特性,模拟结果表明鼓泡流化床内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性。预测颗粒速度与Muller等和Yuu等实测结果相吻合。预测颗粒脉动速度二阶矩与Muller等实验结果变化趋势相同。统计得到的固相雷诺应力型二阶矩与Muller等实测颗粒脉动速度二阶矩和Yuu等实测颗粒脉动速度相吻合。     

Effect of annular fins on heat transfer of a horizontal immersed tube in bubbling fluidized beds

Experiments were conducted in a bubbling air-fluidized bed to investigate the effect of annular fins of constant thickness on heat transfer. Steady state time averaged local heat transfer coefficient measurements were made by the local thermal simulation technique in a cold bubbling fluidized bed (90 mm ID, 260 mm tall) with horizontally immersed tube initially with no fin and then with three fixed annular fins of constant thickness. Silica sand of mean particle diameter 307 μm and 200 μm were used as the bed materials. The superficial velocity of air was from minimum fluidization conditions, u_mf, to approximately 3 × u_mf. The results indicate that, although the heat transfer coefficient falls with the use of fins, the total heat transfer rises as a result of the greater surface area. Increasing the particle diameter reduces the heat transfer coefficient not only for unfinned horizontal tube but also for annular finned horizontal tube at the same conditions of fluidized bed. Based on the experimental data, correlations are proposed for predicting heat transfer coefficient from fluidized bed to horizontally immersed tubes with and without fins.     

大型双射流流化床的流体动力学特性

在Ф0 .5m× 8m大型双射流流化床中 ,通过摄像、放像逐帧分析法和sthVCD软件分析录像转换的VCD ,得到了不同管间距下双射流典型的运动图像 .同时研究了两射流独立存在区、过渡区和射流合并区 3种流型的相互转变 ,得出了流型转变的关系式 .不同射流管间距下相同射流气速的射流深度相比 ,管间距减小则射流深度减小 ;在较小的管间距和相对高的射流气速下 ,两射流在射流深度之内始终合并 ,表现为射流合并高度 .得出了射流深度、射流合并高度的定量关系式 .分数维关联维数表明大型双射流流化床是一个确定性混沌系统 ,考查了管间距、静床高度对关联维数的影响     

一个基于双流体理论预测三维流化床内流动特性的数学模型(Ⅰ)气固体系散式或鼓泡流态化特性

将考虑拟平衡状态下颗粒与流体相互作用的附加力添加到基于双流体理论动量方程的数学模型中,用于Geldart A类物料散式流态化和B类物料鼓泡/床层塌落特性的三维数值模拟。该模型主要特点是将表征颗粒离散属性的特征长度视为颗粒直径的同一数量级且只需曳力系数一个关联式来封闭控制方程。在商业软件CFX4.4平台上,通过增加用户自定义子程序模拟了长0.2 m、宽0.2 m和高0.5 m流化床内瞬态流动特性。为了检验数学模型的实用性和数值模拟的可靠性,首先考察了两种A类物料在表观气速为u_mf和1.5u_mf下的散式流态化特性,结果展示出床层均匀膨胀的固有属性。随后,考察了扰动对A类物料在网格尺度上的局部空隙率和固体速度分布以及在设备尺度上床层压降的影响,探索了B类物料在网格尺度上鼓泡和床层塌落以及在设备尺度上鼓泡过程中床层压降和塌落过程中平均床层高度和相界面标准偏差的动态特性。上述模拟结果与经典的Geldart理论、前人的实验或模拟结果相吻合,说明该模型可以用来预报三维气固流化床内A类物料散式流态化和B类物料鼓泡及塌落的时空特性。     

大型射流流化床的流型转变与射流深度

在高 8m、直径 0 .5m的大型射流流化床中 ,通过摄像分析法 ,研究了射流、喷流两种流型的转变 .结果表明在低静床高、大射流气速下易出现喷流 ;喷流出现时 ,功率谱主频射流气速曲线上出现一转折点 .转折点射流气速与摄像法得出的流型转变射流气速相同 .提出了射流、喷流流型转变关系式 .同时发现射流深度随射流气速变大而增大 ,结合二维射流床射流深度的研究结果 ,得出了射流深度的预测式     

喷动流化床最小喷动流化速度的多因素影响与关联

在一Ф125 mm、锥角60°的喷动流化床内测定了混合和分离体系的混合二组分及其单一组分的最小喷动流化速度u_msf.实验表明,最小喷动速度随静床高增加而增大,随流化气速和浮升组分分率增大而减小;混合体系中最小喷动速度随浮升组分分率接近线性递减,而分离体系却呈曲线降低.对比分析了文献umsf数据,除喷口直径外,多孔分布板形式和床径明显影响u_msf的大小,采用cos(aθ)、sin(bθ)、tan(cβ)和f(D_c/D_cref)来分别修正分布板夹角θ、均匀布气结构、开孔方向角β和床径D_c的影响.根据本文和文献不同结构与体系的590组数据,又用6个量纲1参数和上述4个修正函数进行了多重影响因素的综合回归,得出新的预测u_msf的普适关联式,该式偏差±29.5%,平均偏差11.5%,相关系数0.97.     

CFD simulation of flow pattern and jet penetration depth in gas-fluidized beds with single and double jets

A simple two-fluid model is validated by comparing single-jet fluidization experiments and numerical predictions. Subsequently, flow pattern and jet penetration depth are explored numerically in the bed with double jets under equal and unequal gas velocities. Glass balltoni with a density of 2550 kg/m³ and a diameter of 275 μm is employed as solid phase. The model used in this study considers the effect of the dispersed solid phase on both gas and particle momentum equations of the inviscid model A (Gidaspow, 1994). Numerical simulations are carried out in the platform of CFX 4.4, a commercial CFD code, together with user-defined FORTRAN subroutines. Both jet penetration depth and jet frequency predicted are in good quantitative agreement with measurements in an incipiently fluidized bed with a single jet. By combining solid volume fraction distribution and particle-phase velocity vector profile, three flow patterns (isolated, merged and transitional jets) are identified in the gas-fluidized bed with double jets, which depend more on the nozzle distance than the jet gas velocity. For the equal jet gas velocity, the jet penetration depth decreases with increasing nozzle distance in the merged-jet and transitional-jet regions, then reaches a minimum value in the transitional-jet region, and finally keeps steady in the isolated-jet region. For the unequal jet gas velocity, the merged jet penetration depth increases with increase in the velocity of one jet as the other jet gas velocity is fixed, whilst the jet penetration depths change a little in the transitional-jet region and remain a constant in the isolated-jet region.     

Hydrodynamic characteristics of activated carbon in air- and water-fluidized beds

The hydrodynamic characteristics of small hydrophobic activated carbon particles were determined in air flowing through both fixed and fluidized bed layers and water flowing through an inverse fluidized bed. Based on experimental data the Ergun-equation was corrected. A new relationship is proposed to predict the pressure drop in a fixed bed with gas flowing by using the minimum fluidizing velocity (u _mf ) and particle terminal velocity (u _t ). Apparent density of oven-dried activated carbon increases with filling the internal pores by water. After the bed density reaches the density of water, the system switches from an inverse fluidized layer into the classical fluidized state. Finally, it has been demonstrated that the Reynolds number (Re _mf ) at u _mf associated with the original Archimedes number (Ar) for gas-solid fluidized system and the modified Ar numbers characterizing the inverse fluidized beds lie on identical curves.     

Experimental and numerical study of fluid dynamic parameters in a jetting fluidized bed of a binary mixture

The solid circulation pattern, the voidage profile, and the jet penetration height have been investigated experimentally and computationally in a cold-flow model of jetting fluidized beds (JFBs) of a binary mixture in this paper. This rectangular two-dimensional bed is 0.30 m wide and 2.05 m high with a central jet and a conical distributor, which roughly stands for the ash-agglomerating fluidized-bed coal gasifier. A video camera and coloured particle tracer method were employed to explore the fluid dynamics in the bed. In terms of the average physical properties of binary mixtures, a hydrodynamic model describing the gas-solid flow characteristics in a jetting bed is resolved by using a modified Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation (SIMPLE) algorithm. This paper focuses on three features of the fluid dynamics—solid circulation pattern, voidage profile, and jet penetration height. The solid circulation pattern is composed of three regions: the jetting region, the bubble street, and the annular region. Above the central nozzle the time-averaged isoporosity contours are almost elliptic, while near the walls of the bed, the voidage in high solid concentration region is approximately equal to that at the minimum fluidization state. The jet penetration height increases with increasing jet gas velocity and with decreasing average particle diameter. The increase in weight percentage of the lighter component in the binary system reveals that reduction of average density causes the enlargement of jet penetration height. The simulated results show good agreement with the experimental data.     

固定床熔渣气化高速射流区气固运动行为研究

为研究固定床熔渣气化炉中气化剂喷嘴安装角度、喷嘴口径、气化剂射流速度与高速射流区深度的关系,利用模化原理对工业级气化炉高速射流区建立50 cm二维冷态模型,采用精密皮托管测量颗粒床层中的气体速度分布,并采用无量纲分析方法,对试验数据进行处理。结果表明:射流穿透深度与喷嘴口径的二次方大致成正比关系;射流深度随喷嘴安装角度的增大呈现先增加后减小的趋势,使得射流深度最大的安装角度为17°~20°;射流深度随射流气速增加呈增大趋势,并拟合出气化剂喷嘴安装角度、射流速度、喷嘴口径与射流区深度的无量纲关系式。