乙烯裂解炉耦合模拟中湍流模型的影响分析

配备底部烧嘴和侧壁烧嘴的乙烯裂解炉应用越来越广泛,不同燃烧模式影响着炉膛内湍流流动状态,考虑到裂解炉中湍流流动与燃气喷料、燃烧和传热有较强的非线性耦合作用,为此探究不同湍流模型在裂解炉/反应器耦合模拟中的影响对于裂解炉的精确设计和优化至关重要。针对不同湍流模型对某十万吨工业乙烯裂解炉进行了耦合模拟,利用CFD数值模拟对采用标准k-ε模型、RNG k-ε和Realizable k-ε模型所建立的湍流流动模型进行评估。将三种湍流模型的模拟结果与工业数据进行比较,重点分析了裂解炉内的速度、温度、湍流能力等参数的分布情况,表明Realizable k-ε模型在火焰稳定性、反应效率等方面优于其他两种模型,且基于Realizable k-ε湍流方程的反应管模型在热通量、炉管外壁温度分布计算结果更接近实际工况。     

Coupled simulation of combustion with heat transfer and cracking reaction in SL-Ⅱ industrial ethylene pyrolyzer

采用计算流体力学(CFD)方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段炉膛内的燃烧传热及管内石脑油裂解反应过程进行耦合模拟,建模及耦合求解在CFX中完成。计算时采用标准k-ε双方程湍流模型、旋涡耗散/有限化学速率(EDM/FRC)燃烧模型和离散传播(DT)辐射模型,其中介质辐射特性采用多灰气加权模型;石脑油裂解反应采用Kumar分子反应模型,流体流动方程组由全隐式的耦合算法求解。模拟结果与工业数据吻合良好,验证了模型的可靠性。结果表明,管内裂解产物丙烯和丁烯收率先增后减,甲烷和乙烯收率一直增大;出口管外壁温度沿管长分布因侧壁烧嘴的加入而更加均匀;炉膛中部的回流区使该区温度更加均匀;裂解炉结构的非对称性引起烟气流速分布不对称,进而导致后墙上侧壁烧嘴的供热效率相对前墙侧较低,本文模拟结果为裂解炉进一步设计与改造提供理论指导。     

SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉内燃烧传热与裂解反应的耦合模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对SL-Ⅱ型工业乙烯裂解炉辐射段炉膛内的燃烧传热及管内石脑油裂解反应过程进行耦合模拟,建模及耦合求解在CFX中完成.计算时采用标准k-ε双方程湍流模型、旋涡耗散/有限化学速率(EDM/FRC)燃烧模型和离散传播(DT)辐射模型,其中介质辐射特性采用多灰气加权模型;石脑油裂解反应采用Kuma...     

USC型乙烯裂解炉炉膛燃烧过程数值模拟

以广州石化的USC型乙烯裂解炉辐射段为几何模型,采用计算流体力学的方法对计算域进行几何建模和网格划分,用标准的k-ε湍流模型、非绝热的简化PDF燃烧模型和离散坐标辐射传热模型对炉膛内的燃烧和辐射状况进行三维全尺寸数值计算,以研究炉膛内的燃烧、传热和烟气流动情况.计算得到的流场合理,温度、浓度分布与实际吻合良好,说明对裂解炉辐射段的数值模拟计算是成功的.该模拟计算验证了所建立的乙烯裂解炉炉膛燃烧反应数学模型的可靠性和合理性,并为优化设计裂解炉结构提供理论参考.     

助燃空气对乙烯裂解炉NOx排放的影响

乙烯裂解炉内复杂物理化学过程耦合模拟与优化能够满足乙烯装置对高效率、低污染和低成本的设计和操作要求,对提高乙烯工业的竞争力具有重要意义。针对简单燃烧机理难以准确预测炉膛燃烧生成NO_x浓度分布的弊端,提出了在裂解炉使用更准确的简化GRI-Mesh 3.0机理结合涡耗散概念(EDC)模型的方法,并对Sandia Flame D的燃烧过程进行计算流体力学(CFD)模拟,验证了此耦合模型的可靠性。在已建立的燃烧模型的基础上,研究了助燃空气对降低裂解炉NO排放的影响,结果表明：在满足裂解炉热效率的情况下,空气预热温度为300~600 K、过量空气系数为1.1时降低NO的效果最佳。     

简化PDF模型对Texaco气化炉的三维数值模拟

应用商业CFD软件Fluent建立气化过程热态模型，对某化肥厂Texaco水煤浆气化炉进行了三维数值模拟。计算中采用简化PDF模型描述炉内的化学反应，将水煤浆看作燃料流，氧气看作氧化剂流;根据对冷态流场的计算，采用六面体结构网格为主的网格划分;Realizable k-ε湍流模型封闭湍流方程;dpm模型考察气体和颗粒相耦合;随机轨道模型对颗粒相进行追踪，P-1辐射模型计算炉内辐射特性;同时编制UDF函数模拟焦炭和O₂、H₂O、CO₂以及H₂的颗粒异相反应。通过与工业数据的对比，证明该模型能够真实反应气化炉内的物理特性，同时表明工业炉内的同相反应基本达到化学平衡。     

不同湍流模型对双流体喷射泵流场模拟的研究

采用标准κ～ε湍流模型、RNGκ～ε湍流模型和Realizableκ～ε湍流模型分别对双流体喷射泵内部的气液流动进行了模拟。对不同湍流模型下计算收敛速度,混合流体静压力变化和气体卷吸量大小进行了比较。模拟结果表明:3种κ～ε湍流模型均可很好的反应射流规律;在Realizableκ～ε湍流模型计算下,计算成本最低,流场计算收敛速度最快;在RNGκ～ε湍流模型和Realizableκ～ε湍流模型下混合流体静压力变化和气体卷吸量基本相同,均小于标准κ～ε湍流模型下的计算结果,且喷嘴速度越大,差距越明显。     

内循环气升式环流反应器生物降解苯酚废水过程的计算传质学模拟研究

利用计算传质学方法对内循环气升式环流反应器（ILALR）内生物降解苯酚废水过程进行了研究。采用欧拉多相流模型结合RNG k-ε湍流模型对ILALR中气-液两相流动过程进行模拟,采用气泡群平衡模型（PBM）对反应器内气泡的尺寸分布进行预测。利用近年来提出的计算传质学\overline{c^{\mathrm{2}}}-ε_c模型对湍流扩散系数进行计算,从而摆脱了传统需要预估湍流Schmidt数的经验方法。模拟得到的液相苯酚和菌体浓度与实验测量值吻合良好,从而证明了所建立模型的有效性。研究结果表明ILALR内湍流传质过程中湍流扩散系数及湍流Schmidt数并非常数,因此基于传递相似性假设得到的湍流Schmidt数经验模型不适用于ILALR内湍流传质过程的模拟。模拟得到的ILALR中液相剪应力随表观气速的增大而增大,局部最大值出现在导流筒的上部。     

湍流模型对钝体燃烧器流场模拟的影响

湍流燃烧过程涉及燃烧反应和湍流在微小时间和空间尺度上的耦合,因此湍流模型的有效性对燃烧器流场CFD模拟的准确性有重要影响。采用5种k-ε类和k-ω类两方程模型和雷诺应力模型模拟了钝体燃烧器内冷流流场,并采用PIV测量方法进行了实验验证。比较和分析数值模拟和PIV实验结果发现,不同湍流模型的模拟结果在诸如速度分布和涡结构上存在较大差别,标准k-ε模型和RNGk-ε的模拟流场最接近本文的实验结果。     

乙烯裂解炉管内流动反应历程的数值模拟(Ⅰ)二维流动反应数学模型的建立

引　言乙烯生产装置的核心部分是管式裂解炉 ,在小口径反应管内进行着湍流流体流动、传质、传热及裂解反应等过程 ,它们高度耦合在一起 ,其内部有许多十分重要的化学工程参数均不易测得 ,这就使得对管式裂解炉运行机制与规律的了解和认识及其性能的优化变得十分困难 .但是 ,乙烯工业的发展所带来的经济效益又迫使人们要了解和掌握这一复杂过程 ,优质高效地设计、操作和优化乙烯管式裂解炉 .近 10多年来 ,利用流动反应数学模型较准确地描述和模拟上述复杂过程 ,证明是管式裂解炉设计改进与优化操作行之有效的途径[1] .乙烯裂解炉反应管的工艺…     

基于M-L湍流模型的浮空器强迫对流换热

外表面强迫对流换热是影响临近空间浮空器热控的重要因素，而流体的流动状态对强迫对流换热具有十分重要的影响。目前对浮空器外表面强迫对流换热的仿真研究多采用雷诺时均方程，将流动作为全湍流进行计算，且并未考虑转捩现象的影响。为了研究转捩现象对强迫对流换热的影响，首先通过在Reynolds数为1.14×10⁶情况下采用M-L转捩模型球体浮空器绕流得到的结果与实验结果以及采用Shear Stress Transfer（SST）k-ω、k-ε模型模拟结果进行对比分析，验证了M-L转捩模型在模拟球体浮空器强迫对流换热时的优越性。在验证数值模拟方法的基础上，分析了Reynolds数对球体浮空器强迫对流换热的影响。基于数值模拟得到的结果，在Reynolds数为10⁶～10⁸的范围内，拟合得到了球体浮空器强迫对流换热关系式。     

Numerical Simulation of Transfer and Reaction Processes in Ethylene Furnaces

The complex transfer and reaction processes happened in ethylene furnaces were taken into consideration. A comprehensive mathematical model was developed with CFD technique based on the following knowledge: (1) basic transport equations of hydrodynamics, (2) k– turbulence model, (3) cracking reaction kinetic model developed by Wang, (4) presumed probability-density-function model for turbulent diffusion combustion, and (5) discrete ordinates method for radiative heat transfer. The simulation results showed detailed information about flow and temperature fields, heat flux distribution, and concentration distribution. They provided thorough understanding on the basic characteristics of hydrodynamic phenomena and reaction behaviour occurring in industrial ethylene furnaces. Parametric studies were carried out to investigate quantitatively the influence of burner staging, tube diameter and spacing on operation performance of ethylene furnaces. The comprehensive mathematical model and computational scheme presented here can be used as a tool for the design of ethylene furnaces.     

Numerical simulation on flow, combustion and heat transfer of ethylene cracking furnaces

With the study object of an 100kt/a SL-II ethylene cracking furnace, this paper used Computational Fluid Dynamics (CFD) method to carry out coupled simulation studies on the flow, combustion, radiative heat transfer and thermal cracking reaction processes in the cracking furnace. The standard k–ε two-equation model was applied to turbulence simulation. The finite-rate/eddy-dissipation model was used for modeling of non-premixed combustion of the bottom burners and premixed combustion of the sidewall burners. The Discrete Ordinates (DO) model was applied to the simulation of radiative heat transfer of furnace. The simulation results show the detailed information about velocity, temperature and concentration fields in the furnace and heat flux distribution on the reactor tubes skin. This work will provide a theoretical basis for the optimization of the geometrical structure and operational parameters of the cracking furnace.     

Simulation of a Spray Dryer Fitted with a Rotary Disk Atomizer Using a Three-Dimensional Computional Fluid Dynamic Model

Spray dryers fitted with a rotary disk atomizer are widely used in many industries requiring high throughputs to produce powders from liquid streams. The interaction between droplets or particles and the drying medium within the drying chamber is still not well understood and hence difficult to model reliably. In this article CFD results are presented to describe the behavior of the performance of a spray dryer fitted with a rotary disk atomizer in a cylinder-on-cone chamber geometry. Four different turbulence models, i.e., standard k - ε, RNG k - ε, Realizable k - ε, and Reynolds stress models were tested and compared to simulate the swirling two-phase flow with heat and mass transfer in the chamber. The results of this investigation can provide further insight into turbulent swirling flow modeling. The predicted results, such as, air flow patterns, air velocity and temperature, distributions, particle/droplet trajectories, drying performance etc., are obtained using the CFD code FLUENT6.1. Comparison with available limited experimental data shows that CFD results display reasonable agreement. Predicted results also show that the RNG k - ε model performs better in this specific case.     

缠绕管式换热器壳程强化传热性能影响因素分析

由于内部流场信息缺乏，结构参数对流体流动的影响规律不明确，致使缠绕管式换热器壳程强化传热机理不明晰，阻碍其设计准则的进一步规范化和通用。针对上述问题，对缠绕管式换热器壳程流体流动进行几何建模及数值模拟，并通过文献中实验数据进行验证，进而基于该模型对壳程流体流场特性进行详细分析，分析关键结构参数对其壳程传热与阻力性能的影响，并探讨其强化传热机理。结果表明：Realizable k-ε湍流模型可较为准确地描述壳程流体流动；在双对数坐标系内，壳程Nusselt数随Reynolds数的增大而增大，阻力系数f则呈线性降低的趋势；壳程Nusselt数随缠绕管直径d与平均缠绕直径D的增大而增大，随螺距S的增大而减小，阻力系数f则相反；缠绕管直径d对壳程流体传热与阻力性能的影响最大，平均缠绕直径D的影响最小；增大缠绕管直径d与平均缠绕直径D有利于破坏流体速度边界层，增强流体扰动，加快温升速度，强化壳程传热，而增大螺距S则使速度边界层变厚，减小流动阻力的同时降低温升速度，不利于壳程强化传热。     

赛科裂解炉辐射段燃烧的数值模拟及优化

利用计算流体软件,采用合适的数学模型,对赛科（SECCO）裂解炉的两种设计方案进行数值模拟,得到裂解炉炉膛内流体流场、燃料燃烧和烟气温度场等详细信息,揭示了炉膛内烟气流动、燃烧和传热过程的相互影响及特点。模拟结果表明,底部燃烧器的原始设计方案中,热量分布不均,局部高温区,炉膛内温度梯度大;底部燃烧器加侧壁燃烧器的优化方案中,能提供较均匀的热量分布,炉膛内温度梯度小,有利于反应管均匀受热。     

Study on the solid–liquid suspension behavior in a tank stirred by the long-short blades impeller

We investigated the solid-liquid suspension characteristics in the tank with a liquid height/tank diameter ratio of 1.5 stirred by a novel long-short blades (LSB) impeller by the Euler granular flow model coupled with the standard k-ε turbulence model. After validation of the local solid holdup by experiments, numerical predictions have been successfully used to explain the influences of impeller rotating speed, particle density, particle size, liquid viscosity and initial solid loading on the solid suspension behavior, i.e. smaller particles with lower density are more likely to be suspended evenly in the liquid with higher liquid viscosity. At a low impeller rotating speed (N), increase in N leads to an obvious improvement in the solid distribution homogeneity. Moreover, the proposed LSB impeller has obvious advantages in the uniform distribution of the solid particles compared with single Rushton turbine (RT), dual RT impellers or CBY hydrofoil impeller under the same power consumption.