基于气泡和聚团的结构模型及其应用

综合考虑鼓泡流化床内气泡及聚团对床内细颗粒流动的影响,建立基于气泡和聚团的结构曳力模型及结构参数模型,同时,借助计算流体软件预测细颗粒在鼓泡床中流动状态。首先,基于细颗粒在鼓泡流化床的流动状态,在介观尺度上将床内气固流动结构划分为3个子结构,即气泡相、相间相及乳化相(聚团相)。然后,综合考虑细颗粒鼓泡流化床中气泡和聚团对气固流动的影响,根据力平衡、质量守恒建立基于气泡和聚团的结构参数模型及结构曳力模型。通过对结构参数模型封闭求解,得到11个结构参数值(f_b,U_b,d_b,U_(gb),f_i,U_(gi),ε_i,f_e,U_(ge),ε_e,d_c)。对结构参数计算结果进行分析,结构参数模型能够很好反映床内流动情况及床内各结构参数之间的关系,并能有效地预测颗粒聚团直径。此外借用非均匀因子,耦合结构曳力模型及结构参数模型到欧拉双流体模型对气固在床内流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型能够较好地预测细颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。在对模拟结果中颗粒径向浓度比较时,可以发现,相对比基于气泡模型的结构曳力模型,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型的模拟结果与实验结果更一致。     

B类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对鼓泡流化床中气-固两相流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,采用结构曳力模型能够较好地预测B类颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。对比初始流态化颗粒浓度图和完全流态化颗粒浓度分布图,可以发现结构曳力模型能够较好地展现鼓泡流化床中气泡的运动特性。当比较不同曳力模型下的模拟结果时,结构曳力模型比传统曳力模型能够更好地预测颗粒的径向分布。     

烟气循环流化床脱硫数值模拟进展及现状分析

介绍了循环流化床半干法烟气脱硫过程气固两相流动和反应特征及其数值模拟方法。对两相流常用的离散颗粒模型、双流体模型的研究进展进行论述,对于四步骤的脱硫模型进行说明,并介绍了耦合流动模型与脱硫模型过程模拟的优缺点。提出对循环流化床脱硫进一步数值模拟的工作重点应集中在颗粒动力学、曳力模型的修正和反应过程细化模拟方面。     

分区曳力模型的2D鼓泡流化床流动特性模拟

曳力对两相流动特性具有很大影响,由于颗粒团聚的影响,传统曳力模型不能准确预测气固间曳力。为了提高两相流动特性的模拟精度,文中综合考虑不同曳力模型在特定浓度的曳力系数特性,分区确定曳力模型,并在模型断点处使用光滑函数,基于CFD开源平台OpenFOAM耦合TFM模型对2D鼓泡流化床进行流动特性模拟。结果表明:分区曳力模型床层膨胀率与局部压降预测平均相对误差分别比Gidapow模型降低15%和12.5%,同时可以正确表征气泡融合以及周围颗粒速度方向,宏观流动状态呈现出鼓泡流化床的内循环特性,表明分区曳力模型对鼓泡流化床流动特性模拟具有良好的适用性。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

氨法烟气脱硫吸收塔流场数值模拟

氨法烟气脱硫工艺过程一般分为脱硫吸收、中间产品处理、副产品制造三部分,吸收塔是氨法脱硫的核心设备。以某化工厂锅炉烟气氨法脱硫项目吸收塔作为流场数值模拟对象,分析了吸收塔内的烟气流动形态。结果表明,吸收塔系统整体压降不超过2000Pa、浆液分布均匀。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度(EMMS)方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

非均匀气固流态化系统中颗粒流体相间作用的计算

曳力系数是双流体模型模拟气固两相流动的关键参数.文献中应用的关联式都基于平均方法,不再适用于模拟快速流态化系统的非均匀流动结构.本文试图阐明非均匀结构对曳力系数的影响,应用改进的能量最小多尺度模型提出一种计算微元体曳力系数的新方法.计算结果表明应用该模型计算出的曳力系数远小于基于平均方法关联式的计算结果,符合实验得出的结论.     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

气固下行床中壁面对介尺度曳力的影响规律

传统介尺度曳力模型的构建通常基于全周期域的细网格模拟数据集，未考虑壁面的影响，而真实流化床反应器系统中的壁面条件会影响壁面附近的非均匀结构，进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力，因此研究壁面效应对介尺度曳力模型的影响很有必要。本文通过对拟二维全周期系统和不同床宽的周期下行床系统的介尺度曳力修正系数相对误差径向分布进行比较，探究了周期下行床中的介尺度曳力回归全周期系统曳力的现象，分析了曳力修正系数径向分布的影响因素。发现不同床宽下受壁面影响区域占整个床的比例改变较小，且曳力系数相对误差的值受该位置的固含率、固含率梯度、固相剪切率及粒化温度分布等因素影响，最后拟合了曳力系数相对误差关于径向位置的公式，并对过滤尺度对曳力系数相对误差的影响和一些变量关联曳力时是否已经隐性包含了壁面的影响进行了探讨。     

热风分布器结构对脱硫废水旋转喷雾蒸发特性影响的数值模拟

针对脱硫废水旋转喷雾蒸发过程，建立了气液两相流动及传热传质模型，并利用该模型对某电厂300MW机组的脱硫废水蒸发过程进行了模拟，研究了热风分布器中导流板的角度和数量对干燥塔内流场、废水雾滴运动与蒸发的影响。结果表明：外导流板角度对喷雾干燥塔内流场影响比内导流板大，随着外导流板角度的增加，热烟气进入喷雾干燥塔的旋转作用更加明显，外导流板角度为32°时烟气旋流作用最好；随着内导流板角度的增加，液滴轴向运动最远距离减少，同时内导流板角度的改变对喷雾干燥塔内液滴完全蒸发时间的影响大于外导流板，内导流板角度为0°时液滴蒸发时间最短；内导流板数量对喷雾干燥塔内流场、液滴的运动和蒸发影响较小，随着内导流板数量的增加，干燥塔内流场、液滴运动距离和完全蒸发时间趋于稳定，综合考虑烟气导流与风压损失，建议内导流板数量取为24片。     

Aerodynamic characteristics of FGD spray towers

On the basis of the balance of forces acting on droplets falling down inside a co- or counter-current spray tower, a model of scrubber aerodynamic characteristics was developed. Relations between pressure drop caused by spray, droplet concentration and residence time distribution of the dispersed phase were found analytically for slurry droplet motion in the range of 400<Re<2500. The differences between the simplified model solutions and complete solutions are presented. The model was verified by the experimental data collected in two large pilot plant scrubbers applied for flue gas desulfurization (FGD).     

湿法烟气脱硫塔内传递与化学反应过程CFD模拟

以某330 MW燃煤发电机组湿法烟气脱硫塔为研究对象，采用欧拉-拉格朗日方法建立了塔内气-液两相流动、热质交换模型，以溶解平衡、质量守恒及电荷守恒描述浆液内13种溶质组分瞬时化学反应特性，通过用户自定义函数实现流动模型与传质模型、化学反应模型的耦合。基于上述模型预测了脱硫塔内气-液两相流动、液滴蒸发与SO₂化学吸收过程，获得了SO₂浓度与浆液pH的径向分布特性，详细分析了气-液流动对化学吸收特性的影响，结果表明局部液气比分布特性是影响SO₂径向分布的关键因素之一，可通过调控近壁区及主管道区的两相流动状态提高脱硫塔的吸收性能；随着气相侧SO₂浓度提高或液滴粒径减小，浆液pH下降速率增大且各化学组分浓度达到稳定状态用时缩短。     

垃圾焚烧烟气喷雾干燥脱酸塔流场数值模拟

采用(RNG)k-ε湍流模型及颗粒轨道模型,运用计算流体力学软件Fluent对垃圾焚烧烟气喷雾干燥脱酸塔内流场进行数值模拟。结果表明,喷雾浆滴较大程度地影响了脱酸塔内的流场,局部区域内发生的强烈湍流流动,会促进塔内气液传质和化学反应过程。     

A one-dimensional plug-flow model of a counter-current spray drying tower

A one-dimensional numerical model for a detergent slurry drying process in a counter-current spray drying tower is developed for the prediction of the gas and droplet/particle temperature profiles within the tower. The model accommodates droplets/particles over a range of sizes. A semi-empirical slurry droplet drying model is integrated with a counter-current tower simulation based on mass, energy and particulate phase momentum balances in order to calculate the drying rate and the particle residence time within the tower. The coupled first order ordinary differential equations for the two phases are solved numerically using the iterative shooting method in an algorithm developed within MATLAB. The predictions of the numerical model are compared with industrial pilot plant data. The results are found to vary significantly with the specified size distribution of the droplets. Despite the simplicity of the model in ignoring the coalescence, agglomeration, wall deposition and re-entrainment, the model gives reasonable agreement with the experimental data.     

液-固混合悬浊液的压力雾化（Ⅰ）机理分析与模型建立

研究了影响液-固混合悬浊液压力雾化各因素间的函数关系.液-固悬浊液的雾化由振动波干扰不稳定的液膜以及固体微粒惯性力等因素引起,通过理论分析建立相应的数学模型,找出了压力、固体微粒直径、固体微粒密度以及悬浊液中固体微粒质量分数与雾滴直径的关系.模型分析表明,压力、固体微粒密度对雾滴直径的影响具有非单调性关系,即雾滴直径随它们的增加先减少再增大;而雾滴直径随固体微粒的粒径、固体质量分数的增加而增大.     

液-固混合悬浊液的压力雾化(Ⅰ) 机理分析与模型建立

研究了影响液 固混合悬浊液压力雾化各因素间的函数关系 .液 固悬浊液的雾化由振动波干扰不稳定的液膜以及固体微粒惯性力等因素引起 ,通过理论分析建立相应的数学模型 ,找出了压力、固体微粒直径、固体微粒密度以及悬浊液中固体微粒质量分数与雾滴直径的关系 .模型分析表明 ,压力、固体微粒密度对雾滴直径的影响具有非单调性关系 ,即雾滴直径随它们的增加先减少再增大 ;而雾滴直径随固体微粒的粒径、固体质量分数的增加而增大     

农药雾滴空间运行中的变形特征分析

以化学农药雾滴的空间运行过程为背景，构建了二维气液相界面追踪模型，通过COMSOL Multiphysics系统地研究了雾滴特征参数及风速等多因素耦合下单雾滴在横向风场中下落时的形变特征。结果表明，雾滴的形变会受黏性力、表面张力等内部因素和重力、曳力等外部因素的共同作用，外部作用力能够促进雾滴发生形变，而内部作用力阻碍雾滴的形变。雾滴的形变量随着雾滴尺寸和横向速度的增大而增大，随着动力黏度和表面张力的增大而减小；雾滴下落过程中的形变存在振荡周期，雾滴的形变周期随着雾滴尺寸的增大而增大，随着表面张力的增大而减小，但基本不受横向风速和动力黏度的影响。将雾滴的形变量、形变周期与韦伯数We、奥内佐格数Oh和雷诺数Re等量纲为1数进行拟合，可以预测雾滴的空间形变特性。研究结果对农药雾滴的空间飘移机理及其阻控技术的研发具有重要意义。     

具有冲击平板的雾化喷雾流中汽液流动的模拟

A comprehensive three-dimensional model of droplet-gas flow was presented to study the evolution of spray in the effervescent atomization spray with an impinging plate.For gas phase,the N-S equation with the k-ε turbulence model was solved,considering two-way coupling interaction between droplets and gas phase.Dispersed droplet phase is modeled as Lagrangian entities,accounting for the physics of droplet generation from primary and secondary breakup,droplet collision and coalescence,droplet momentum and heat transfer.The mean size and statistical distribution of atomized droplets at various nozzle-to-plate distances were calculated.Some simulation results were compared well with experimental data.The results show that the existence of the impinging plate has a pronounced influence on the droplet mean size,size distribution and the droplet spatial distribution.The air-to-liquid ratio has obvious effects on the droplet size and distribution.     

喷淋塔液滴粒径分布及比表面积的实验研究

以水和空气为实验介质,通过拍照法获得喷淋塔内液滴粒径分布,考察了不同喷淋量及空塔气速对塔内不同高度处液滴Sauter平均直径(SMD)的影响,并对液滴粒径分布进行了理论分析.结果表明,喷淋塔顶部液滴分布密集,底部稀疏,液滴群在下落过程中,平均粒径减小且趋于均匀化;塔顶处液滴SMD随喷淋量的增加而增大,处在塔中下部的液滴SMD则随喷淋量增大而减小,提高空塔气速,可减小平均粒径;理论分析认为,液滴粒径减小主要是由于发生了碰撞破碎的缘故,而塔内液滴大小不一是碰撞的主要原因;通过量纲1化拟合得到喷淋塔内液滴SMD经验关联式,其计算结果与实验值吻合较好;考虑液滴破碎的喷淋塔比表面积比不考虑破碎的比表面积大70%左右.