球形胶囊内约束熔化过程的LBM模拟

为了准确预测球形胶囊内部材料的相变性能,为后续相变微胶囊浆体的多尺度研究提供微观相变信息,采用格子Boltzmann方法（LBM）,引入浸入式移动边界处理方案,借鉴糊状区和热焓理论,构建了适于相变模拟的数值模型,模拟了球形胶囊内部固液相变过程,讨论了不同粒径尺度下熔化机制的区别。结果表明,利用LBM方法得到的预测结果与可视化实验数据吻合较好,清晰地呈现出球体上部温度热分层和下部液相强对流共存的特性。随着粒径尺度的不断减小,胶囊内部对流作用逐渐减弱,甚至当粒径小于3 mm时,其内部对流作用可忽略。     

球形胶囊内约束熔化过程的LBM模拟

为了准确预测球形胶囊内部材料的相变性能,为后续相变微胶囊浆体的多尺度研究提供微观相变信息,采用格子Boltzmann方法(LBM),引入浸入式移动边界处理方案,借鉴糊状区和热焓理论,构建了适于相变模拟的数值模型,模拟了球形胶囊内部固液相变过程,讨论了不同粒径尺度下熔化机制的区别。结果表明,利用LBM方法得到的预测结果与可视化实验数据吻合较好,清晰地呈现出球体上部温度热分层和下部液相强对流共存的特性。随着粒径尺度的不断减小,胶囊内部对流作用逐渐减弱,甚至当粒径小于3 mm时,其内部对流作用可忽略。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

相变微胶囊悬浮液圆管内换热特性模拟

相变微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的相变潜热，可以减小温度的变化程度，且比单相流体具有更高的对流换热系数，成为广泛关注的新型热工流体。本文针对相变微胶囊悬浮液在等热流边界条件下的管内层流，根据差示扫描量热法所得到的相变温度范围，采用矩形等效比热容模型，进行了数值模拟分析，并结合以溴代十六烷为相变材料的相变微胶囊悬浮液的实验数据，将数值模拟结果与实验结果对比并进行误差分析。又对在不同质量分数、不同热流密度条件下的对流换热进行研究，分析了不同参数对对流换热强度的影响。并通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液圆管内对流换热关联式。然后改变管径、流速条件重新模拟验证该关联式的通用性，其结果表明模拟结果与预测公式高度吻合，该关联式的通用性较好。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构（如气泡）对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的“三传一反”行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体（TFM）传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟

MIP(maximizing iso-paraffins process)工艺采用两个反应器串联技术,可有效改善汽油质量。MIP反应器的冷态模拟虽能揭示反应器内的流动行为及几何结构的影响,但无法考虑反应引发的变化。为更准确地揭示该反应器中的油气及颗粒运动行为,尝试了三维瞬态反应模拟。模拟采用双流体模型结合十二集总反应动力学模型,并在相间动量传递模型和传热模型中考虑了多尺度结构的影响,然后与基于均匀分布的传统模型作对比。结果表明,相比于传统模型,多尺度模型能较准确预测二反段内的流动结构、颗粒浓度以及温度分布。在预测产率方面,两种模型所得结果类似,都对油浆和柴油的预测较好,对液化气和干气的预测偏差较大。这说明,仅在动量传递及传热模型中考虑多尺度结构的影响是不够的。     

相变蓄冷浆体材料研究进展

相变蓄冷浆体材料具有良好的流动性和高蓄冷密度,既可用作蓄冷材料,也可作为载冷剂来输送冷量,应用前景广阔。相变蓄冷浆体材料包含冰浆、笼型水合物浆体、微胶囊乳液、相变乳状液和微乳液等,其中笼型水合物又包含CO₂水合物、有机制冷剂水合物和季盐类水合物。本文综述了上述相变蓄冷浆体材料的基础物性、制备方法和流动传热特性,并介绍了水合物浆体生成的强化以及浆体流动特性的改善研究,分析比较了几种相变蓄冷材料的优缺点,列举了浆体材料在蓄冷空调系统中的典型应用,并指出了蓄冷技术未来的发展趋势,如尿素–水,乙醇–水和乙二醇–水等自然工质良好的热学性能均为其制备相变蓄冷材料提供了可能。     

槽式太阳能集热管内相变微胶囊悬浮液的热力性能分析

针对传统使用水基和油基的太阳能集热器换热效果低和管壁热应力大的问题，以相变微胶囊悬浮液为工作流体，对抛物型槽式太阳能集热器进行了三维建模。采用蒙特卡罗射线追踪法结合有限容积法和有限元法的方法求解了太阳能集热管的光?热?力耦合问题，采用欧拉?欧拉多相流模型研究了相变微胶囊悬浮液在集热管内的流动换热特性。结果表明，相变微胶囊悬浮液强化了集热管内的对流换热，不仅降低了集热管的沿程壁温，且减少了集热管的周向温差，均化了集热管温度分布。集热管周向等效热应力呈花瓣型分布，对应的5个高温度梯度的位置附近(圆周角θ=5°, 90°, 175°, 225°和315°)出现等效应力局部峰值。吸热管内壁面θ=90°处轴向热应力为压应力，作用于整个管程，而径向热应力和切向热应力为拉应力，主要作用在进出口端。相变微胶囊悬浮液浓度越高，强化换热效果越好，集热管热应力越小，但产生的压降也随之增大。     

网格尺寸对循环流化床内气固两相流动的影响

将基于能量最小多尺度方法(EMMS)的曳力模型耦合到双流体模型中,并针对循环流化床内的气固两流动进行了模拟研究。采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相,考察了3种网格尺度对轴向空隙率和出口颗粒循环量等气固流动特性的影响。计算结果表明,应用EMMS曳力模型处理相间作用力,同时在采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相时,双流体模型能够正确预测轴向空隙率分布。采用网格尺寸为2.325 mm×20 mm时,模拟结果和实测数据吻合较好,表明在循环流化床的数值模拟中选择恰当的网格尺度是极为重要的。     

相变微胶囊的制备及其在微通道的应用进展

相变微胶囊是一种性能良好、稳定性强的相变储能材料,其热导率偏低,但对相变微胶囊进行改性以及优化换热条件可以提高热导率。本文系统地介绍了相变微胶囊与改性相变微胶囊的制备方法,以及两者的区别。文章指出,对比分析可知,原位聚合法是制备改性相变微胶囊最常用的方法,对壁材进行改性是最常用的改性方法,并且在众多改性材料中氧化石墨烯是一种高导热、力学性能优异、稳定性强的改性材料。同时,文中对相变微胶囊和改性相变微胶囊在微通道换热器中的应用进行概述与总结,指出其中存在的问题：相变微胶囊与微通道换热器的结合,在提升换热效果的同时还存在着增加流动阻力和压降的问题。因此需要确定悬浮液流动的临界速度,充分发挥相变微胶囊与微通道换热器的优势。     

化学工程中的介尺度科学与虚拟过程工程：分析与展望

传统的过程工程研发具有周期长、风险大、费用高等特点,制约了过程工业的快速发展。解决这一问题应从介尺度科学和虚拟过程工程两方面入手。首先,这一问题的科学根源在于化学和过程工程中的多尺度和多层次结构;而介尺度作为其中的难点和瓶颈,目前的认识还比较有限。认识和理解介尺度复杂性对研究材料的构效关系、反应器混合与传递、系统集成等具有重要意义。只有实现了流动、传递和反应在介尺度的耦合,才能够准确理解、预测和调控多相反应器中的多尺度结构。另一方面,基于介尺度科学的虚拟过程工程将成为一种全新的过程研发模式,不仅可以大幅度缩短过程放大周期,也使产品精细化成为可能。虚拟过程工程是连接介尺度科学与新技术新工艺开发的桥梁,它是一种实体化、功能化的开发和分析工具及知识库,将实验室成果快速应用于过程开发,将大幅提升我国过程工业对核心技术的研发能力。传统的理论和超级计算尚不足以支撑虚拟过程工程,而介尺度科学则为虚拟过程工程带来前所未有的发展机遇。虚拟过程工程涉及多学科交叉,不仅是模拟计算人员的任务,也是实验室和过程研发人员共同的责任;它甚至在未来可以与云计算相结合,使过程工程进入大数据时代。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。     

化学工程中的介尺度科学与虚拟过程工程:分析与展望

传统的过程工程研发具有周期长、风险大、费用高等特点,制约了过程工业的快速发展。解决这一问题应从介尺度科学和虚拟过程工程两方面入手。首先,这一问题的科学根源在于化学和过程工程中的多尺度和多层次结构;而介尺度作为其中的难点和瓶颈,目前的认识还比较有限。认识和理解介尺度复杂性对研究材料的构效关系、反应器混合与传递、系统集成等具有重要意义。只有实现了流动、传递和反应在介尺度的耦合,才能够准确理解、预测和调控多相反应器中的多尺度结构。另一方面,基于介尺度科学的虚拟过程工程将成为一种全新的过程研发模式,不仅可以大幅度缩短过程放大周期,也使产品精细化成为可能。虚拟过程工程是连接介尺度科学与新技术新工艺开发的桥梁,它是一种实体化、功能化的开发和分析工具及知识库,将实验室成果快速应用于过程开发,将大幅提升我国过程工业对核心技术的研发能力。传统的理论和超级计算尚不足以支撑虚拟过程工程,而介尺度科学则为虚拟过程工程带来前所未有的发展机遇。虚拟过程工程涉及多学科交叉,不仅是模拟计算人员的任务,也是实验室和过程研发人员共同的责任;它甚至在未来可以与云计算相结合,使过程工程进入大数据时代。     

混合溶剂在高分子膜中的传递模型

以单溶剂在高分子膜中的蠕变传递模型为基础,通过考虑溶剂间的耦合作用对溶剂在高分子膜中传递过程的影响,建立了混合溶剂在高分子膜中传递的蠕变模型.对模型参数进行了数值模拟研究,并使用该模型关联了吸收实验曲线.计算结果显示模型具有一定的预测功能.     

水合物浆体蓄冷空调系统的运行特性

设计和搭建了四丁基溴化铵水合物浆体蓄冷空调系统的实验装置。通过测量系统功耗、流体温度和流量、系统压降等参数,计算得到系统的COP等,并验证了前期实验所得的四丁基溴化铵水合物浆体的基本热物性和流动换热关联式。初步测试结果确认了系统运行的可靠性,结合实验数据进行了讨论并给出了系统的改进方案。     

反应传递多尺度耦合的拟颗粒模拟

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展,传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势,显著简化了分子间作用模型,极大提高了计算效率,为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景,阐述其基本思想,并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。     

矩形微通道内相变微胶囊悬浮液换热特性

与常规传热流体相比,相变微胶囊悬浮液因具有较大的表观比热和较高的热能存储容量而具有良好的应用前景。基于此背景,通过实验研究了蒸馏水、1.0%和2.5%浓度的相变微胶囊悬浮液在长100mm,宽度和深度都为0.5mm的矩形微通道中的换热特性。相变微胶囊悬浮液因具有较大的相变潜热、颗粒的扰动和颗粒周围的微对流而表现出比蒸馏水更好的换热性能。相比于蒸馏水,相变微胶囊悬浮液对应的平均Nu更大一些,且当Re增大时,Nu也随之增大;在Re不变的情况下,相变微胶囊悬浮液使通道平均壁面温度比蒸馏水的更低;随着相变微胶囊悬浮液浓度的增加,换热性能增强。     

CO_2管内流动沸腾换热模型评价研究

CO_2由于良好的环境特性和优良的热力学特性,被认为是一种理想的替代制冷剂。与传统制冷剂相比,CO_2有着十分不同的流动沸腾换热特性。然而现有的换热关联式都是基于各自的实验数据拟合得出,由于数据点太少和变量参数范围受限导致关联式的预测结果大相径庭。所以建立更加全面的CO_2管内流动沸腾换热数据库对不同换热模型进行对比分析,对于深入了解CO_2管内流动沸腾换热特性和研究更加准确的换热关联式具有重要意义。通过从24篇文献中搜集的4040个实验数据点对6个CO_2的管内流动沸腾换热模型进行对比分析,发现Fang(2013)关联式误差最低为10.6%,并绘制了气液相Reynolds数随管径的变化,气液相Reynolds数的变化的散点图以及Nusselt数随Bond数变化的趋势图,可为深入了解CO_2管内流动沸腾换热特性和将来研究更加准确的新型换热关联式提供参考。     

相变微胶囊悬浮液在微槽道内的流动换热模拟

基于CFD-DPM模型研究定热流壁面条件下二维微槽道内相变微胶囊悬浮液的层流对流换热特性,并结合DSC测试结果采用等效比热模型对相变微胶囊相变特性进行表征,和水的特点进行对比,讨论了相变微胶囊质量分数、有无壁面热阻等因素的影响。结果发现:相变微胶囊悬浮液冷却特性明显优于单质水,并且随着质量分数的增加,模拟相变融化区长度不断增加,最大强化率可达15.7%;从模拟结果中可以明显看出:由于存在微胶囊的相变吸热,流体温度明显低于单质水,平均流体温度明显降低。当存在相变微胶囊颗粒壁面热阻时,换热强度明显小于无壁材情况,对比有无壁面热阻情况下,结果可以发现当存在壁面热阻时,其融化起始点要晚一点,但是对相变吸热的效果影响不大。     

纤维悬浮聚合物熔体中纤维影响的数值模拟

采用一种多尺度模型研究了纤维悬浮聚合物熔体的流动过程，通过宏观流体的流动状态、纤维所在尺度上的纤维取向表征和聚合物溶液大分子哑铃模型尺度上的哑铃概率分布三尺度信息，实现了纤维悬浮聚合物熔体流动控制方程和本构关系的三尺度共同表征。使用SIMPLER-FDMS算法对多尺度控制方程组进行了求解，并通过4∶1等温平板收缩流的数值模拟验证了该多尺度模型的有效性。通过对纤维浓度、纤维间相互作用以及纤维长径比的分析，研究了纤维参数对聚合物基熔体悬浮体系及纤维取向的影响。