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。     

纳米TiO_2颗粒在声场导向管喷动流化床中的流化特性

在内径120 mm的半圆柱型声场导向管喷动流化床中,以平均粒径290 nm的TiO_2颗粒为原料,高速空气射流为喷动气,考察了操作条件、声参数(频率和声压)对纳米颗粒在声场导向管喷流床中的流态化特性的影响。结果表明:声波可以有效抑制沟流,改善环隙流化质量,防止射流旁路,从而促使粉体稳定循环,加快循环速率;同时声波可以显著地降低纳米TiO_2颗粒的最小喷动速度,声波频率一定时,最小喷动速度随声压的增加而减小;声压一定时,最小喷动速度在声波频率为80 Hz时达到最小值,低于或者高于80 Hz,最小喷动速度都会增大。     

半圆柱形液固导向管喷动流化床流型的研究

本文以平均粒径为0．9mm的玻璃珠为流化颗粒,常温水为流化介质,在直径为97mm的半圆柱形液固导向管喷动流化床中,通过对喷动区和环隙区单位床高压降-流速曲线的分析并结合实验现象的观察,确定了喷动区和环隙区的流型及流型转变速度,在此基础上提出了液固导向管喷动流化床的流型图。研究结果表明,环隙达到流态化后,在较大的喷动液流速范围内,颗粒层能维持在较低的膨胀牢状态下。这对流化床电极非常有利;液固导向管喷动流化床有较大的操作弹性。     

声场导向管喷流床流动特性的数值模拟

在内径120 mm、高1 000 mm的导向管喷流床中,以空气为气相,原生粒径290 nm的TiO_2超细颗粒为固相,借助CFD软件ANSYS Fluent 15.0,将声场模型与欧拉双流体模型相结合,将声场对导向管喷流床中超细粉聚团的流动特性进行数值模拟,研究了声场对气泡和固含率云图、固相时均浓度分布、固(气)相时均速度分布以及流化气旁路分率的影响。结果表明:声场的震荡作用促进环隙区颗粒在气流中均匀分散,减小气泡尺寸,从而使固含率分布变得更均匀;而导向管内由于射流速度较高,声场对固相浓度分布影响很小,但在壁面附近,由于射流速度下降,声场的震荡作用使固相浓度下降;声场增大了环隙和喷泉区的湍动强度,轴向时均速度在径向上分布得更加均匀;声场能够有效抑制流化气的旁路,显著减小流化气旁路分率。     

液固导向管喷动流化床中颗粒流动特性的数值模拟

为获得优化床层结构及操作条件,采用双流体模型对导向管喷动流化床进行了数值模拟。研究考察了进口喷动液流速和流化液流速对颗粒流动规律的影响,结果表明:喷动液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较小,只能使颗粒在环隙区与导向管内的循环加快;流化液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较大,随着流化液速度的增大,颗粒在环隙区分布更均匀,浓度降低,颗粒更容易被卷吸进入导向管内,颗粒循环速度加快。     

对导向管喷动流化床床体流动周期性波动的数值模拟

以水和玻璃颗粒体系为研究对象,以液-固两相流理论为基础,采用欧拉-欧拉模型对导向管喷动流化床环隙处于近似活塞流时床体流动周期性波动进行数值模拟。动量与质量守恒方程通过有限体积法分别计算。通过曳力,湍流颗粒波动时的能量耗散进行耦合,包括颗粒与颗粒之间的磨擦作用。模拟结果与实验观察相吻合,颗粒质量流率波动频率为3.5Hz。分析了由环隙卷吸进导向管的水的变化和环隙区与导向管中心处的压降比的变化对床体流动周期性波动的影响。     

锥底喷动床内气固两相流的数值模拟

为了得到喷动床内流场分布的详细信息,给进一步的实验研究和工业放大提供理论依据,对锥底喷动床内气固两相流的流动状况进行数值模拟.使用欧拉模型进行计算,得到稳定的喷动区、环隙区和喷泉区等喷动床典型流动特征.考察喷动床内颗粒相在喷动区、环隙区和喷泉区的速度分布以及空隙率和颗粒体积分率的分布.计算结果同实验观察得到的结果相符.     

Texaco气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟

在直径为1000mm,高4000mm的双通道射流喷嘴的气化炉上,以Texaco气化炉冷模试验为基准对象,将空气经环隙和中心射入气化炉,以氢气为示踪剂,预测环隙和中心射流的混合程度。结合流体质量与动量守恒方程和k-ε湍流模型,用SIMPLER算法计算,对气化炉内的冷态流场和湍流混合进行了模拟,模拟了炉内速度分布、量纲一浓度分布、混合分数分布和轴向衰减的情况。结果显示:气化炉内浓度分布极不均匀;炉内存在富氧和贫氧区;环隙和中心通道射流动量比加大,混合分数沿轴向衰减加快,达到充分混合的时间缩短。模拟结果与冷模试验结果的比较表明计算值与试验值吻合良好。     

流化床电极的电解特性研究

在喷动区截面为10 mm×15.5 mm,环隙区截面为46 mm×15.5 mm的半矩形导向管喷动流化床电极中,以三种特定的操作状态,作为三类流化床电极的替代,研究了对应的铜离子回收率,电解效率等电解品质因素,研究结果表明:三类流化床电极在恒流条件比恒压条件下的电解性能均表现更佳,且以状态Ⅲ对应的典型的导向管喷动流化床电极具有最佳的电解性能,在实验条件下电解160分钟,铜离子的极限浓度可降至0.8ppm,铜离子回收率可达99.92%,平均电流效率为31.63%,最大电流效率可达83.25%。     

导向管喷动流化床环隙流化状态对颗粒循环速率影响的数值模拟

以液-固两相流理论为基础,以水和玻璃颗粒体系为研究对象,采用欧拉-欧拉模型对环隙处于流化态与非流化态时的导向管喷动流化床的流化行为进行了数值模拟。动量与质量守恒方程通过有限体积法分别计算。通过曳力,湍流颗粒波动时候的能量耗散进行耦合,包括颗粒与颗粒之间的磨擦作用。对环隙区流化液速度大于(与小于)最小流化液速度时的床层情况进行分析研究,并对比了这两种条件下,粒径、导向管安装高度和填充高度对颗粒质量循环速率的影响。     

射流循环DTB结晶器内的CFD模拟

采用RNG k-ε湍流模型对实验室级射流循环DTB蒸发结晶器内的单相流流场进行了数值模拟并优化结晶器结构,用欧拉多相流模型对优化的结晶器进行多相流模拟分析。结果表明,导流筒内射流满足线性扩展,其轴向速度分布基本满足高斯分布。刚进入导流筒内的射流段,轴线速度倒数与流程呈良好的线性关系,随射流的发展,轴线速度加速衰减。在入口直径恒定时,循环速率比随导流筒挡板间环隙面积与导流筒横截面积比的增加呈先增大再减小的趋势,存在最优值。优化的实验级DTB结晶器中导流筒内颗粒浓度分布沿径向方向减小,但基本可实现颗粒浓度较为均匀的分布,其循环速率与单相流模拟结果相比较低。     

导向管直径对喷动床流动特性影响的计算颗粒流体力学数值模拟

导向管喷动床是较为常见的一种喷动床改进床型,通过阻断喷动区与环隙区气固接触来提高颗粒循环的规律性与稳定性。本文采用计算颗粒流体力学（CPFD）方法对于直径150mm的柱锥式导向管喷动床进行了数值模拟研究,考察了导向管直径对于喷动床内颗粒流动特性的影响,从环隙区死区分布、颗粒速度分布、固体循环量等方面分析了具有不同直径导向管喷动床的运行状态。结果表明,加入导向管在减少床内死区的同时也降低了运行时的固体循环量,对于本次采用的喷动床结构尺寸与运行参数,只有在导向管直径为40～60mm时才能保证床内具有良好喷动状态,综合考虑各因素,选用直径50～55mm的导向管最为合适。对于具有类似结构与运行条件的柱锥喷动床,导向管直径可考虑选为无导向管运行时喷动区直径的1.2～1.375倍。     

液固下喷自吸环流反应器流体力学特性

采用改进皮托管测定了液固下喷自吸环流反应器中的液体平均速度及液相湍流强度分布,采用PV4A颗粒浓度速度测量仪测定了固含率分布。试验结果表明:随着液体喷射流量的增大,液体平均速度、液相湍流强度及固含率均增大;在导流筒内液相平均速度近似管流分布,在环隙中的速度分布基本均匀;在导流筒和环隙内固含率沿径向分布均匀。该研究对于下喷环流反应器的放大与优化有重要指导意义。     

整体式多喷嘴喷动-流化床内气固两相流动规律数值模拟

采用双流体模型(TFM)对一种新型整体式多喷嘴喷动-流化床内气固两相流动进行了数值模拟,在喷动床锥体两侧开若干侧喷嘴形成辅助多喷嘴结构,使其在喷动床锥体处产生喷动-流化效果,从而对环隙区锥体边界处堆积颗粒层产生扰流作用。通过CFD数值模拟获得了喷动床内颗粒速度及浓度的分布情况,并与单喷嘴喷动床模拟结果进行对比。研究并优化分析了不同侧喷嘴数量以及侧喷嘴宽度等关键参数对喷动床气固两相流动的影响规律。研究表明,与常规喷动床相比,整体式多喷嘴喷动-流化床结构能有效增强喷动床内环隙区颗粒相运动,特别是强化了喷动床环隙区底部流动死区的颗粒运动,使得锥体边界层颗的粒体积分数显著下降,颗粒体积分数沿径向分布变得更为均匀,同时省略了旁路供气辅助设备。     

声场对导向管喷流床环隙区流化质量的影响

以平均粒径150μm的空心微珠作为实验物料代替超细粉聚团,在以高速射流为喷动气的半圆柱形导向管喷流床中,分别利用光纤探针和压力传感器测量环隙区颗粒浓度信号、压力脉动信号,通过统计分析和功率谱分析考察了声场对环隙区流化质量的改善作用。结果表明:低频高强度的声场能有效破碎环隙区上部的气泡,减小气泡尺寸,增加气泡内颗粒浓度,使床层两相结构减弱,颗粒平均浓度增大,浓度波动减小。且声压级越大,作用效果越明显;而声波频率的影响则存在一个最佳值,本实验条件下为70Hz,大于或小于该值,声波的作用效果都会减弱。同时声场能消除环隙区下部沟流,促进流化气均匀分布,使颗粒浓度减小,浓度波动增大,并随声压级增加而逐渐与上部接近,从而使环隙区轴向上的流化状态变得更加均匀,流化质量提高。     

纵向涡发生器设计参数对喷动床内颗粒两相流动影响实验研究

将球体纵向涡流发生器引入喷动床内,采用粒子图像测速技术研究了在内径152 mm的喷动床内颗粒密度及纵向涡流发生器排数(单排、双排及三排)对喷动床内喷射区及环隙区颗粒相径向速度的影响。结果表明:在喷动床稳定喷动范围内,颗粒密度越小纵向涡流对颗粒相径向运动的强化效果越佳。纵向涡发生器对喷动床内颗粒运动强化存在空间分布的不均匀性,在喷动床有限的空间范围内,存在最佳的静床层高度使得纵向涡流发生器对颗粒径向运动的强化效果达到最佳。整体而言,单排及双排纵向涡流发生器对喷动床内颗粒径向速度的强化效果最佳,随着静床层高度的增加,多排纵向涡流发生器对喷射区颗粒径向速度影响逐渐减小,而对环隙区颗粒径向速度的影响逐渐增大。     

增压导向式喷动流化庆流动特性的数值模拟

采用双流体理论对增压导向式喷动流化床内喷动区和环形区气固运动速度和近隙率进行数值模拟。计算结果表明：喷动区颗粒速度在初始急布上升而气体速度则急剧下降,进入导向管后趋于平缓,而且颗粒加速程度还与系统压力有关;环形区气体速度在卷吸段增大,进入隔离流区后保持不变,而颗粒速度则一直保持不变;喷动区的空隙率在郑吸段下降,进入导向管后又开始上升。     

等离子体-喷动流化床性能研究

等离子体-喷动流化床结合了先进的等离子体技术与喷动流化床装置,由流过中心喷口的等离子射流(喷动床)以及通过分配器的辅助流化气流(流化床)组成,目前对等离子体-喷动流化床的操作特性及基本现象研究较少。本研究中,搭建了一套等离子体-喷动流化床装置并进行了性能测试,直流等离子体炬功率12 kW,流化物料采用石英砂颗粒。研究中使用上部内径为198 mm柱状、下部为60°锥体的锥柱形反应器,以等离子体射流作为喷动气流,氮气作为流化气流构成了等离子体-喷动流化床。对比研究了物料在常温下与等离子体条件下在装置内的流动情况;在等离子体状态下研究了喷动流化床内物料的磨损情况;测试了等离子状态下喷动流化床装置内的温度分布。研究结果表明:在等离子体条件下实现物料喷动流化所需的气体流量大大减少,高温区集中于物料喷动流化区,体系的能量利用效率高,该装置适宜进行生物质等离子体热解或气化。     

导向管喷动流化床内宽筛分硅颗粒流化特性的实验及模拟

在内径为182mm的导向管喷动流化床中,以亚毫米级的宽筛分硅颗粒为物料,对喷动气旁路特性进行了实验研究,分别考察了静止床层高度、夹带区高度、导向管内径、喷动气速和流化气速对喷动气旁路分率的影响。结果表明喷动气的旁路分率随喷动气速的增加首先保持平稳,随后降低直至保持稳定值;当喷动气速较小时,旁路分率随静止床层高度的增加而增加,当喷动气速足够大时,静止床高的变化对旁路分率影响不大;此外,喷动气旁路分率随流化气速、导向管内径的增加而增大,但随着导向管安装高度的增加而减小。同时,采用基于颗粒动力学理论的双欧拉模型,通过Fluent建立了与冷态实验条件一致的导向管喷动流化床气固两相流的数理模型,经计算流体力学模拟考察了相关参数对模拟结果的影响。结果表明压降与实验值吻合,流态化外观也与实验结果一致。所建立的模型具有一定的准确性和可靠性,可以成为预测实验结果的有效途径。     

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。