非牛顿流体搅拌流场的数值模拟研究进展

对非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中的控制方程、旋转桨叶的处理以及数值计算方法三个方面进行了综合论述。阐述了广义牛顿流体模型形式简单、计算量低,在非牛顿流体搅拌流场数值模拟过程中应用广泛;黏弹性流体本构方程具有高度的非线性,采用计算流体力学(CFD)方法对其搅拌流场进行数值模拟难度较高,目前仍处于起步阶段;通过合理简化黏弹性流体本构方程以及采用恰当的数值离散方法,有助于在黏弹性流体的搅拌流场数值模拟中取得进展。     

应用Lattice Boltzmann方法数值模拟顶盖驱动流

Lattice Boltzmann方法是近十年来发展起来的基于介观层次上的新算法,是一个崭新的求解流体系统偏微分方程的行之有效且效率比较高的数值计算方法,以其为物理现象建模的手段,在很多领域得到了应用,尤其在化工领域中具有复杂边界和复杂流场的模拟中取得巨大成功,如湍流、多孔介质流、化学反应流、燃烧模拟、结晶过程、磁流体等等。采用LB方法中的D2Q9模型,采用BGK碰撞模型及BounceBack边界条件数值模拟流体在顶盖驱动中的流动现象,给出流场的流线和等压线图,计算结果表明该方法运用到顶盖驱动流动计算中,所得结果与基准解吻合良好。     

旋转填充床反应器流体流动可视化研究进展

旋转填充床反应器是一种典型过程强化装置,对化工过程中的传质与混合过程具有较好的强化作用。流体流动作为旋转填充床反应器中最为基础的性质,对研究、优化旋转填充床反应器的结构和性能至关重要。光学成像技术与数值模拟作为研究旋转填充床反应器中流体力学性质的重要手段在近年来得到了飞速发展。对近三十年来,旋转填充床反应器可视化研究进行了综述,从早期光学成像开始,在此基础上引入早期计算流体力学模拟,直至现在高速数码摄像可视化和基于真实结构的模拟。对旋转填充床的可视化观测从填料表面逐渐向填料内部发展,对其数值模拟从初步的数学模型发展到包含详细填料几何结构、详细流体特性的流动模拟。现有研究已对填料区、空腔区中的流体流动有了较为详细的描述。     

旋转填充床反应器流体流动可视化研究进展

旋转填充床反应器是一种典型过程强化装置,对化工过程中的传质与混合过程具有较好的强化作用。流体流动作为旋转填充床反应器中最为基础的性质,对研究、优化旋转填充床反应器的结构和性能至关重要。光学成像技术与数值模拟作为研究旋转填充床反应器中流体力学性质的重要手段在近年来得到了飞速发展。对近三十年来,旋转填充床反应器可视化研究进行了综述,从早期光学成像开始,在此基础上引入早期计算流体力学模拟,直至现在高速数码摄像可视化和基于真实结构的模拟。对旋转填充床的可视化观测从填料表面逐渐向填料内部发展,对其数值模拟从初步的数学模型发展到包含详细填料几何结构、详细流体特性的流动模拟。现有研究已对填料区、空腔区中的流体流动有了较为详细的描述。     

大型过程装备CFD数值模拟及分析

数值模拟方法在研究大型过程装备的性能中已经得到越来越广泛的应用,但仍有较多问题亟待解决。对于大型过程装备而言,其外形尺寸大且内部结构复杂,分析计算过程将占用巨量计算机资源,使计算时间大大延长。此外,大部分过程装备数值模拟需要附加的物理模型如湍流、燃烧、传热、化学反应、旋转、多相流和多孔介质等,使得CFD（Computational Fluid Dynamics)数值模拟过程中不仅要求解基本控制方程,还要求解相应的附加物理方程。     

聚合物搅拌脱挥设备及其CFD模拟研究进展

综述了聚合物搅拌脱挥设备的开发进展,分析了设备开发过程存在的关键问题。指出卧式脱挥设备中的流动特性、混合特性、成膜特性以及表面更新特性等是强化传质的关键因素,具有自清洁搅拌特性的高效卧式脱挥设备是装备开发与研究的主要方向。阐述了计算流体力学(CFD)在研究高黏流体卧式搅拌设备内传递过程机理中的应用。基于网格重叠技术的有限元方法和基于动网格的有限体积方法可以解决复杂几何结构的桨叶和翅片、双轴的旋转运动以及啮合机构非常小的间隙等难题。借助于CFD中VOF多相流模型可以精确地追踪气液相界面,模拟反应器中的成膜过程和表面更新特性,进而可以深入分析设备中的传质过程,为高效聚合物脱挥设备的优化与设计提供了新的思路。     

基于ANSYS软件的双螺杆挤出机的计算机模拟与分析

介绍了应用ANSYS软件对常用的啮合型同向旋转双螺杆挤出机挤压加工过程进行计算机模拟分析的方法、过程和主要结论;同时介绍了其他常用流体软件对双螺杆挤出机模拟分析的应用情况。分析表明:用ANSYS软件可以对双螺杆挤出机的螺纹流道、捏合块进行压力场、速度场、流量及回流、剪切速率、剪应力和混合效果等计算机模拟分析分,析结果与实验结果基本一致。     

Aspen Plus在超临界流体技术中的应用研究进展

Aspen Plus是集生产装置设计、稳态模拟和优化于一体的大型通用流程模拟系统,可用于医药、化工等多种工程领域的工艺流程模拟、工程性能监控、优化等贯穿于整个生命周期的过程行为。超临界流体技术作为一项新兴的绿色环保技术,近年来在理论研究、工程应用及发展方向等方面得到了科研工作者们的广泛关注,但基础数据和理论模型匮乏、运行成本较高等问题阻碍了该技术的工业化进展。本文将Aspen Plus软件应用于超临界流体技术,介绍了Aspen Plus模拟软件的主要功能,综述了Aspen Plus模拟软件在超临界流体技术领域科研开发、工业过程设计及优化、生产过程中能耗问题的应用情况,同时也指出了Aspen Plus在模拟超临界流体技术中的不足。     

新型超稠油取样器的二维数值模拟

目前常规超稠油取样器通常是短管与管线相接进行局部取样,样品含水率误差大;并且由于取样器暴露在室外冬季易冻堵。为完善取样技术,设计了一款新型球形阀旋转取样器,通过球形阀的旋转将管道中一段区域内的流体完整取出,有效减小取样误差,并且取样过程不影响管道正常运行,还可充分利用管道中流体的温度,避免发生冻堵现象。通过数值模拟分析含水率、流体速度、油品粘度及球形阀旋转速度对样品含水率误差的影响。通过计算分析可得适用于该取样器的最佳工况条件,对该新型超稠油取样器在实际生产中的应用及推广有一定的指导作用。     

《颗粒流体复杂系统的多尺度模拟》介绍

本书概述了颗粒流体系统的基本概念以及颗粒流体系统模拟的基础知识，阐述了颗粒流体系统的复杂性及其多尺度结构，总结了作者多年来在颗粒流体复杂系统多尺度模拟方面的工作，展望了颗粒流体系统多尺度模拟研究的发展趋势。详细介绍了颗粒流体系统多尺度模拟的能量最小多尺度模型、双流体模型、确定性颗粒轨道模型以及拟颗粒模拟的基本原理、基本方法和相应的数值计算技术，并给出了上述多尺度模拟方法在工业应用中的一些成果。     

旋转床超重力环境下多相流传递过程研究进展

旋转填充床作为一种高效的传质、分离与反应设备,在化工、环境保护、纳米材料制备、能源、制药等工业过程得到广泛应用。本文对旋转填充床超重力环境下,流体力学特性、传质性能、微观混合、多尺度传递特性等方面的研究进行了总结归纳。近年来,随着计算机科学与多相流传递过程的研究进展,对传递过程的研究也由实验手段为主转变为实验与数值模拟相结合的手段,对有关的数值模拟研究以及相应的多相流模型也予以总结描述。在此基础上,对旋转填充床超重力环境下多相流研究的未来发展提出了有关设想。     

Numerical modelling of rotating packed beds used for CO2 capture processes: A review

Over the last decades, renewable and clean energy sources are being rigorously adopted along with carbon capture technologies to tackle the increasing carbon dioxide (CO₂) concentration level in the environment. CO₂ capture is a quintessential option for tackling global warming issues. In this context, the present paper has reviewed the process intensification equipment called a rotating packed bed (RPB), which is highly industry applicable due to high gravity (HiGee) force. This facilitates strong mass transfer characteristics, a compact design, and low energy consumption. In this review, the current research scenario of RPBs using numerical, computational fluid dynamics (CFD), and mathematical modelling, along with different machine learning approaches in the CO₂ capture process, has been reviewed. The different geometry designs, hydrodynamic characteristics, performance parameters, research methods, and their effects on CO₂ removal efficiency have been discussed. Furthermore, the latest experimental studies are also summarized, especially in the absorption and adsorption domain. Finally, recommendations have been given to support the RPBs in different industrial and commercial applications of CO₂ removal.     

Numerical Simulation of Flow and Particle Collision in a Rotating‐Drum Bioreactor

Fluid flow and particle collision intensity in a rotating‐drum bioreactor are investigated by numerical simulation and a conventional stirred‐tank bioreactor is selected for comparison. Fluid flow is simulated by the computational fluid dynamics (CFD) software package FLUENT® whereas particle collision intensity is approached numerically through a hard‐sphere model. The dissipation rate of turbulent kinetic energy and the maximum particle collision intensity in the rotating‐drum bioreactor are about one order of magnitude smaller than those in the stirred‐tank bioreactor. The rotating‐drum bioreactor is likely to have a less severe impact on bioleaching microorganisms, and thus is expected to have great potential in the field of bioleaching processes.     

旋转式能量回收装置混合过程优化研究

旋转式能量回收装置（RERD）是反渗透海水淡化系统中的关键设备之一,对降低系统运行成本起到重要作用。本研究采用流体力学软件FLUENT,建立RERD装置三维非稳态滑移网格模型,研究分析了转速和流速对装置盐度场分布、混合度和效率的影响规律,获得了可实现装置混合度≤4%和能量回收效率≥98%运行效果的适宜操作条件,模拟结果对RERD实用化开发具有理论指导意义。     

搅拌槽内湍流流场的数值模拟

搅拌槽在过程工业中的应用非常广泛,对搅拌槽内流场的研究具有十分重要的意义。实验研究方法具有局限性,基于计算流体动力学的数值模拟方法是研究流场的重要方法。文中介绍了搅拌流场的数值模拟方法和湍流模型,分析了各自的特点及其应用情况,总结了搅拌模拟时边界条件的处理情况,并指出了未来的发展方向。     

Computational fluid dynamic simulation of gas-liquid flow in rotating packed bed:A review

The rotating packed bed (RPB) has been widely used in gas-liquid flow systems as a process intensifica-tion device,exhibiting excellent mass transfer enhancement characteristics.However,the complex inter-nal structure and the high-speed rotation of the rotor in RPB bring significant challenges to study the intensification mechanism by experiment methods.In the past two decades,Computational fluid dynam-ics (CFD) has been gradually applied to simulate the hydrodynamics and mass transfer characteristics in RPB and instruct the reactor design.This article covers the development of the CFD simulation of gas-liquid flow in RPB.Firstly,the improvement of the simulation method in the aspect of mathematical mod-els,geometric models,and solving methods is introduced.Secondly,new progress of CFD simulation about hydrodynamic and mass transfer characteristics in RPB is reviewed,including pressure drop,veloc-ity distribution,flow pattern,and concentration distribution,etc.Some new phenomena such as the end effect area with the maximum turbulent have been revealed by this works.In addition,the exploration of developing new reactor structures by CFD simulation is introduced and it is proved that such new struc-tures are competitive to different applications.The defects of current research and future development directions are also discussed at last.     

聚焦结构、界面与多尺度问题,开辟化学工程的新里程

20世纪90年代以来,随着计算机技术和测量仪器的迅速发展,化学工程的研究水平日益提升,由经验规则的判断逐渐提高到计算机模拟量化分析. 化学工程的研究范围也日益扩大,下至纳微尺度结构与界面的观察与量化,上至宏观尺度设备与工厂的系统集成. 化学工程的服务对象也由化学工业扩展到冶金、材料、能源、环境、生物等诸多进行物质转化的过程工业. 目前化工科技界正在呼吁寻求继第一里程单元操作、第二里程传递过程和化学反应工程之后的第三里程. 化学工程中以往惯用的忽视非均匀多尺度结构和界面存在的平均方法是造成预测偏差和调控、放大困难的主要原因. 必须关注结构、界面和多尺度问题,研究多尺度结构、界面的量化预测理论和优化调控方法,建立多尺度结构、界面与"三传一反"的关系模型,与当代先进的计算方法、计算流体力学和计算机模拟相结合,有望解决化工过程与设备的优化调控与放大的难题,成为化学工程发展的新里程.     

萃取塔数学模型及过程强化的若干研究进展

萃取塔因生产能力大、占地面积小、密闭性好等优点，在石油、化工、生物、医药和环境工程等多领域被广泛应用。本文从以下几个方面介绍了萃取塔近些年的研究进展：综述了传统萃取塔（脉冲萃取塔、转盘塔与Kühni塔等）的水力学、轴向扩散与传质模型的发展，分析比较了表面张力、传质方向、放大效应等因素对模型的影响；介绍了计算流体动力学（CFD）在萃取塔中单液滴、单相流模拟、液-液两相流模拟、外加能量模拟、与群体平衡模型（PBM）耦合模拟中的应用进展；介绍了国内外设计开发的新型萃取塔，包括改变传统塔的内构件和引入多种外场能量等方式来强化相间传质。研究表明，将先进实验研究方法、准确经验模型和可靠理论计算相结合，将会是萃取塔研究的重要手段和方向。     

CFD-Simulation einer generischen Reaktion in einem gerührten Behälter

Stirred tanks are widely used in chemical engineering, which is why there is a large variety of different designs. Numerical fluid dynamics is therefore often used in stirred tank studies that focus on flow behavior. In this work, a generic reaction in a stirred tank is simulated using computational fluid dynamics and the temperature control of the reactor is investigated. Design-critical aspects are derived from the simulation. In addition, the simulation approach is very well suited for a reaction-specific optimization of a stirred tank.