基于格子Boltzmann方法的单颗粒绕流数值模拟

采用格子Boltzmann方法（LBM）研究了单颗粒绕流流动过程。通过使用LBM中的LBGK（lattice Bhatnagar-Gross-Krook）模型和二阶精度的曲线边界条件处理方法,实现了对单颗粒绕流问题的定常及非定常流动过程中涡结构的模拟。采用动量交换法分别计算了Reynolds数在0.1～200范围内27个不同Reynolds数时的曳力系数,并将计算结果拟合得到基于LBM数值模拟的曳力曲线。计算结果表明,LBM在气固两相流的模拟计算中具有精确、可靠的优点,使用LBM模拟计算曳力曲线的方法经济、易行,并且可以克服由传统实验方法获得曳力曲线的局限性。     

界面Rayleigh对流现象模拟的格子Boltzmann方法

采用格子Boltzmann方法中带有双分布函数的LBGK模型,在介观尺度上实现了对气液传质过程中界面对流现象的模拟,比较了不同Sc数、Ra数以及有局部浓度扰动的界面溶质扩散,对发生界面Rayleigh对流的临界条件进行了研究,发现临界Ra数在1.0×104—2.0×104之间。模拟结果和已有实验现象一致,证明双分布的LBGK模型适用于界面对流及扩散现象的模拟。     

Rayleigh对流及其对界面传质影响模拟的格子Boltzmann方法

针对乙醇吸收CO₂过程中,由CO₂通过界面向液体乙醇传递所导致的Rayleigh对流现象的模拟,建立了二维格子Boltzmann方法（LBM）。采用浓度分布函数和流体质点密度函数的双分布模型格子Boltzmann方法,同时引入由浓度差导致的重度差作为外加力,实现了流体中浓度场与速度场的模拟。应用所建立的LBM方法,对界面具有多个离散CO₂扩散源的二维区域液相Rayleigh对流现象进行了模拟,结果显示,模拟得到的浓度分布结构与文献中实验结果相一致。通过考察Rayleigh对流和浓度分布结构,分析了Rayleigh对流存在条件下的传递规律。通过采用LBM方法对浓度场模拟可以定量给出液相界面瞬时传质通量。计算结果表明,瞬时传质通量随时间的增长先增加后减小,这种变化与相似文献   

采用格子Boltzmann方法模拟解吸过程中的Rayleigh对流

应用二维非稳态格子Boltzmann方法研究了异丙醇-水溶液和丙酮-乙酸乙酯溶液解吸过程中Rayleigh对流的临界开始时间、流动特征及其对界面传质的影响,并与相关文献对比. 结果表明,临界开始时间随界面浓度增加呈先缓慢增大再迅速增大最后趋于稳定的变化趋势. Rayleigh对流结构经历了从有序到无序的发展过程,是不断更新的耗散结构. Rayleigh对流主要作用于液相主体,使液相主体具有较大的湍动速度(10-4~10-3 m/s). 液相主体中存在许多循环流动,促进了界面更新及界面与液相主体之间液体的交换与混合. 传质增强因子(介于2~6之间)表明Rayleigh对流能有效提高解吸过程传质速率,强化界面传质过程.     

稀土浸出过程溶质传递的格子Boltzmann模拟

采用耦合传质的格子Boltzmann方法模拟风化壳淋积型稀土矿中稀土浸出的溶质传递过程,在验证模型有效性的前提下,获得了稀土矿填充孔隙中流体流动的速度分布和伴随流动过程的溶质浓度分布. 通过考察浸取流速对溶质传递过程的影响,得到最佳浸取流速,约为0.25~0.35 mm/s,使溶质传递效率最高. 浸取流速小于0.2 mm/s导致浸取周期过长、浸取剂消耗量大;浸取流速大于0.4 mm/s引起沟流,导致稀土不能有效地浸出. 此外,模拟所得传质舍伍德数Sh随雷诺数Re的变化关系与经验关系式吻合,表明提出的模型可用于预测稀土浸出过程的溶质传递规律.     

运动颗粒对传质过程影响的格子Boltzmann模拟

颗粒的主动运动对传质过程有重要影响.以表面恒浓度的二维球形颗粒为研究对象,采用耦合传质的格子Boltzmann方法(LBM)模拟了颗粒在自旋和振动两种情况下的相间传质过程.选择浸入运动边界法和非平衡态外推法处理运动颗粒边界,研究了颗粒自旋速度、颗粒振幅及振动频率对传质过程的影响.结果表明,中等雷诺数的自旋颗粒绕流中,随...     

格子Boltzmann方法模拟咸水吸收CO2的Rayleigh对流过程

由溶解的CO₂引发的Rayleigh对流,对咸水层中CO₂的捕获与封存至关重要。为了更加直观地了解该过程的混合规律和盐浓度变化带来的影响,本文采用格子Boltzmann方法（LBM）对该过程进行了模拟。通过建立包含密度和浓度分布函数的双分布模型,同时引入静电力和体积力等外力项,对293.15K、101kPa下有多个离散的CO₂扩散源时的浓度分布进行了模拟。结果表明,模拟得到的Rayleigh对流结构、对流发生时间、流场速度和瞬时传质通量的数量级与前人研究结果一致;在咸水吸收CO₂过程中,Rayleigh对流结构可有效强化传质;瞬时传质通量随着时间增长先减小后增大再减小,对应了Rayleigh对流结构产生、发展、稳定的变化过程。同时模拟CO₂在纯水和不同盐浓度咸水中的溶解过程结果表明,盐浓度的增加会延迟Rayleigh对流的开始时间、降低传质效率,这与前人的实验结果一致,模拟结果可为不同盐浓度咸水层中CO₂的封存提供指导。     

钙基吸收剂吸收CO2过程的格子Boltzmann模拟

近年来,利用CaO吸收烟气中的CO2越来越受到国内外研究者的关注。考虑到单松弛格子Boltzmann模型(LBGK模型)在模拟多孔介质内流动时存在的不足,采用了多松弛(MRT)格子Boltzmann方法来研究多孔CaO吸收CO2的过程,并分析了不同参数,如Damkohler数(Da)、摩尔体积比和CaO颗粒的粒径对CaO转化率的影响。研究结果表明：当Da越大或者摩尔体积比越大时,CaO的转化率会越来越低;另外,如果CaO颗粒的粒径越大,其转化率也将会越低。这些结论定性上与实验结果是吻合的。     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

气泡群上升过程相互作用的格子 Boltzmann三维数值模拟

应用格子Boltzmann自由能模型,在三维空间里模拟了大密度比气泡群在静止的黏性不可压缩流体中上升过程以及它们之间的相互作用。为了避免气液密度比过大造成数值不稳定问题,采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶1586Φ和二阶1586²Φ。模拟结果表明,气泡的初始大小和初始位置影响上升气泡周围的流场以及形状变化。当直径相同的气泡群上升时,位置靠下的气泡会受到位置靠上气泡尾迹的影响,并有很明显的形状变化。气泡之间的影响程度取决于两气泡之间的距离及相对位置,并且随着距离增加而逐渐减小。然而直径不同的气泡群上升时,不管初始位置如何,大气泡总会对小气泡造成强烈的影响。     

连续螺旋折流板换热器流动与传热性能及熵产分析

采用数值模拟的方法,研究了螺旋角对连续螺旋折流板换热器流动与传热性能的影响,并以熵产数为指标对换热器性能进行了基于热力学第二定律的分析评价。结果表明,相同质量流量时壳程传热系数和压降均随螺旋角的增大而降低,且后者降低的幅度大于前者。连续螺旋折流板换热器壳程横截面上切向速度分布较弓形折流板换热器更加均匀。在靠近中心假管的内层区域,同一径向位置的轴向速度随螺旋角的增大而降低,而在靠近壳体壁面的外层区域则相反。螺旋角越大,不同径向位置的换热管间的换热量分布均匀性越好。壳程质量流量相等时,换热器中传热引起的熵产占总熵产的比重随着螺旋角的增大而增加,熵产数随着螺旋角的增大而降低。     

PX氧化反应过程多变量预测控制

精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,PTA)是我国最重要的化工原料之一。对二甲苯(p-xylene,PX)氧化反应器是PTA装置的核心运行设备,PX氧化反应是高温高压下的固液相催化反应,其关系到整个装置的产量和消耗。目前,PX氧化反应过程的常规控制虽然可以满足工业装置的生产,但关键产品指标粗对苯二甲酸中对羧基苯甲醛(4-carboxybenzaldehyde,4-CBA)含量和尾气氧浓度波动范围较大,不利于工业装置的进一步优化操作。本文利用FRONT-Suite先进控制软件进行了工业PTA装置PX氧化反应过程的多变量预测控制,稳定优化了关键控制指标反应器尾氧浓度和第一结晶器尾氧浓度以及质量指标4-CBA含量的控制,取得了显著的控制效果。     

整体式催化剂芯片的仿生设计与优化

借鉴生物体内循环系统的原理和组织结构特征,设计了一种具有进料、出料仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片。对仿生通道网络构型进行了CFD模拟研究和优化计算。模拟发现,在保证相同停留时间条件下,相比传统床层式催化剂芯片,具有仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片流动阻力极大降低。经过构型优化的仿生通道结构芯片返混小,平推效果较好。稳定性分析表明,仿生通道结构芯片还具有较好的抗干扰性,能够有效地降低流道短路或断路等不确定因素带来的不良影响,是一种理想的催化剂芯片构型。     

固体颗粒对流化床多相蒸发海水淡化操作浓缩比及膜传热系数的影响

提高海水淡化操作浓缩比,不仅可以提高造水比,还可以有效降低淡化后浓海水再利用的后处理成本,故其是实现低成本零排放的关键之一。在一套循环流化床多相蒸发海水淡化实验装置上,分别采用汽-液两相及汽-液-固三相操作,考察固体颗粒对海水淡化操作浓缩比及膜传热系数的影响,并分析垢层的主要成分。实验表明：高温下CaSO4首先析出,是形成垢层的主要成分;采取汽-液两相操作,膜传热系数保持在1.75 kW·m-2·K-1左右,操作浓缩比可达到3.8左右;采取汽-液-固三相操作,固体颗粒强化传热和防除垢的作用显著,加入颗粒体积分数为4%时,在膜传热系数保持在2.3 kW·m-2·K-1左右不降低的情况下,海水淡化操作浓缩比达到5.8以上。     

UV/H2O2氧化联合Ca(OH)2吸收同时脱硫脱硝

在小型紫外光-鼓泡床反应器中,对UV/H₂O₂氧化联合Ca(OH)₂吸收同时脱除燃煤烟气中NO与SO₂的主要影响因素[H₂O₂浓度、紫外光辐射强度、Ca(OH)₂浓度、NO浓度、溶液温度、烟气流量以及SO₂浓度]进行了考察。采用烟气分析仪和离子色谱仪分别对尾气中的NO₂和液相阴离子作了检测分析。结果显示:在本文所有实验条件下,SO₂均能实现完全脱除。随着H₂O₂浓度、紫外光辐射强度和Ca(OH)₂浓度的增加,NO的脱除效率均呈现先大幅度增加后轻微变化的趋势。NO脱除效率随烟气流量和NO浓度的增加均有大幅度下降。随着溶液温度和SO₂浓度的增加,NO脱除效率仅有微小的下降。离子色谱分析表明,反应产物主要是SO₄^2-和NO₃^-,同时有少量的NO₂^-产生。尾气中未能检测到有害气体NO₂。     

介质阻挡放电中气体成分对NOx脱除的影响

利用介质阻挡放电(DBD)产生低温等离子体进行烟气的脱硝实验,研究了在乙烯存在的条件下,温度和其他烟气成分对NO_x脱除率的影响。结果表明:随着温度的升高,NO脱除速率增快;模拟烟气中加入CO₂,在能量密度较低时,CO₂作为电负性分子会降低自由基的生成,导致NO的脱除率降低,随着能量密度的升高,CO₂对NO脱除的影响减小;模拟烟气中加入水后可以产生更多的OH、HO₂等自由基,促进NO的氧化;SO₂的加入会与自由基O反应,使初始反应中O与C₂H₄的反应速率减弱,从而影响了NO的氧化速率,但O₃、HO₂等强氧化自由基会优先与NO反应,因此SO₂的加入不会影响NO最终的脱除率。     

聚乙二醇在硅酸二钙表面吸附的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究了在真空和水溶液环境下聚乙二醇在β-2CaO·SiO₂表面吸附的规律及其机理。在真空环境下聚乙二醇与β-2CaO·SiO₂不同晶面的吸附强弱顺序依次为:(110)>(010)>(011)>(001)≈(101)>(100);而在水溶液环境下其吸附强弱顺序为:(010)≈(110)≈(001)>(011)>(101)>(100)。真空和水溶液环境下在343～363 K时温度对聚乙二醇与β-2CaO·SiO₂(110)晶面相互作用时的单位面积吸附能影响不大,但当在聚合物链节数较小时单位面积吸附能随链节数的增加而明显增加。在水溶液的环境中,分别构造了β-2CaO·SiO₂和聚乙二醇与水分子的径向分布函数,水分子与聚合物、β-2CaO·SiO₂表面之间都存在吸附能,由于水分子较小,其对聚合物与晶面的吸附产生排斥作用,导致聚合物在水环境中与硅酸二钙晶体吸附能降低。     

活性炭纤维吸附稀溶液中SCN-的电化学再生

为了研究电化学再生活性炭纤维（ACF）的效果,以SCN^-为模型物,通过测量再生后活性炭纤维对SCN^-的吸附容量的大小,考察了时间、吸附质浓度、再生循环次数等再生过程中的影响因素。结果表明,适宜的再生条件为0.8 mA正极化2 h,0.5 mol·L^-1的硫酸溶液,能使再生后ACF的吸附容量提高为原始ACF的3倍。5次电化学再生循环后,ACF的吸附容量没有明显降低,再生后ACF纤维表面也没有明显损伤。     

木质素磺酸钠在TiO2/水界面的吸附特性

木质素磺酸钠在固体表面的吸附特性决定了其应用性能,利用红外和紫外分光光度仪,采用剩余质量分数法研究了温度、pH值、无机盐和氢键破坏剂脲对木质素磺酸钠在TiO₂/水界面吸附动力学和等温吸附性能的影响,初步探讨了其在固液界面的吸附作用机理。结果表明,该吸附为单层多点式吸附,随着温度升高和pH值减小,木质素磺酸钠在TiO₂/水界面的吸附速率常数和饱和吸附量均增大,而离子强度的增大和脲的加入却使吸附速率常数减小;木质素磺酸钠在TiO₂/水界面的吸附驱动力为静电、疏水和氢键作用,疏水作用力可显著增加其吸附量。