颗粒移动床内不稳定运动的计算颗粒动力学模拟

采用考虑滚动摩擦的三方程离散单元法（DEM）模型对侧开孔的移动床中的颗粒流动进行了数值研究。结果表明,计算颗粒动力学(CGD)方法可对复杂颗粒系统内颗粒的运动行为进行准确的预测,包括时均速度场和脉动速度场。讨论了模型中颗粒摩擦参数的重要影响,并对颗粒流动表现出的间歇现象进行了分析。颗粒流动与流体流动有相似之处,都存在随机的脉动,但颗粒流的随机脉动机理与流体中的湍流机理有很大不同,颗粒流动会表现出很强的不连续性。     

DSMC-LES方法数值模拟鼓泡流化床内气泡和颗粒流动行为

基于稠密气体分子动力学和气固两相流体动力学,建立流化床稠密气固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型,采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)模拟颗粒间的碰撞,采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟(LES)研究气相湍流,单颗粒运动满足牛顿第二定律,颗粒相和气相相间作用的双向耦合由牛顿第三定律确定.数值模拟流化床中颗粒流动以及气泡的生成、长大和破碎过程,获得颗粒轴向和径向速度的概率密度分布,及颗粒浓度分布.计算结果表明床内气泡的形成造成床内颗粒的循环,使得流化床内颗粒具有不同的轴向和径向脉动速度,颗粒分速度分布近似服从高斯分布.颗粒温度随颗粒浓度增加,达到最大值后,随颗粒浓度增大而下降.流化床颗粒浓度脉动主要是低频部分,高频分量较低,表明在流化床内颗粒浓度脉动频率低,能量高,颗粒浓度脉动主频率为0.4～1.0Hz,其值与Pain et al.获得的颗粒浓度脉动主频率基本吻合.     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型,数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流,建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度,而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域,小颗粒轴向速度分布出现3个峰值,对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大,颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响,颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法,建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明,颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比,考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡,颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加,床中心区域颗粒轴向速度提高,床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

稠密气固两相流动的颗粒二阶矩方法及鼓泡床流化特性的模拟

采用颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型。应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭。考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型。数值模拟鼓泡流化床内气固两相流动特性,模拟结果表明鼓泡流化床内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性。预测颗粒速度与Muller等和Yuu等实测结果相吻合。预测颗粒脉动速度二阶矩与Muller等实验结果变化趋势相同。统计得到的固相雷诺应力型二阶矩与Muller等实测颗粒脉动速度二阶矩和Yuu等实测颗粒脉动速度相吻合。     

下行床气固两相流动计算流体力学模拟

基于颗粒相动力学理论 ,对层流机制表达的气固两相流体力学模型采用Reynolds平均的方法获得气固两相流的湍流模型描述 .其中 ,气相湍流行为以k -ε模型描述 ;颗粒相的碰撞行为以颗粒流的动力学模型表达 ;而湍流行为以kp 模型描述 .因此建立的k -ε -Θ -kp 模型综合考虑了气相和颗粒相的湍流运动以及颗粒的碰撞行为 .依据此模型建立了三维流体力学求解程序并对下行床气固两相流动行为进行了模型预测 .讨论了恢复系数的选取及壁效应假设 ,从机理上分析并考察了 3种模型的预测能力 .针对内径 1 40mm、高 7m的下行床冷态设备 ,在较宽的操作范围内 ,对比了详细的颗粒浓度和速度径向分布以及轴向参数分布 ,并对下行床的放大行为进行了预测 .     

考虑多组分颗粒运动各向异性的鼓泡流化床生物质气化数值模拟

考虑鼓泡流化床生物质气化过程多组分颗粒运动特点,建立多组分颗粒速度脉动二阶矩模型,结合化学反应动力学方法描述鼓泡流化床内生物质气化过程。模拟的气体组分结果与采用原始颗粒动理学模型的模拟结果进行了比较,并给出了两种粒径碳颗粒的浓度与温度瞬时分布。分析了两种碳颗粒的速度时均径向分布及速度脉动二阶矩时均径向分布,两种碳颗粒的速度分布一致,说明不同粒径碳颗粒混合充分。粒径较大的碳颗粒速度脉动二阶矩在轴向与径向上均较大,粒径的增加使得颗粒速度脉动增强。模拟统计了计算域内两种颗粒的速度脉动各向异性随颗粒浓度变化关系,各向异性随颗粒浓度的增加逐渐减弱,粒径较大的碳颗粒在计算域内的各向异性平均效果不如粒径较小的碳颗粒明显。     

粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

基于气体分子动理学和颗粒动理学理论,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,建立粗糙颗粒动理学。采用Chapman-Enskog颗粒速度分布函数,提出了颗粒相应力、热通量和颗粒碰撞能量耗散计算模型。采用欧拉-欧拉气固双相流模型,数值模拟鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性。模拟结果得到了床内颗粒相速度和脉动速度分布,与Yuu等实验结果相吻合。分析不同的切向弹性恢复系数对颗粒相拟总温的变化规律,结果表明在低颗粒浓度时颗粒拟总温随切向弹性恢复系数而增加。     

稠密固液循环流化床内流体湍流脉动对颗粒分散的影响

通过计算流体动力学模拟研究了固液循环流化床内流体湍流对高浓度颗粒的扩散作用。根据湍流机制下高浓度颗粒在液体中的分散机理,建立了同时考虑颗粒碰撞、流体拖拽和流体湍流扩散输运的欧拉-欧拉双流体模型。利用该模型对稠密固液循环流化床提升管内颗粒的分散运动进行了数值模拟,预测出颗粒轴向速度和体积浓度的径向分布,与相应条件下的实验数据符合很好。表明考虑流体湍流扩散输运的理论模型更能精确预测高浓度颗粒在循环流化床提升管内的运动情况;也表明即使针对以颗粒碰撞为主的稠密固液湍流体系,尺度较大的流体湍流涡也会因促使颗粒扩散输运,影响颗粒空间分布。工作为稠密固液循环流化床内两相流体动力学分析奠定了基础。     

直接模拟蒙特卡罗方法研究循环流化床内颗粒聚团的流动

采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)模拟颗粒间的碰撞,用Lagrangian方法计算颗粒的运动.采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟(LES)研究气相湍流.数值模拟垂直管道内气固两相上升流动,对管内气相速度和颗粒相速度、浓度,以及聚团流动进行分析,得到气固两相上升流中颗粒流动的有关信息.     

DSMC-LES方法研究循环流化床内颗粒团聚物的流动特性

采用直接模拟Monte Carlo方法法DSMC）模拟颗粒间的碰撞,采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟（LES）研究气相湍流.单颗粒运动满足牛顿第二定律,颗粒相和气相相间作用的双向耦合由牛顿第三定律确定.数值模拟垂直管内气固两相上升流动,对管内气相速度和颗粒相速度、浓度以及聚团流动进行分析.研究平均单个颗粒团聚物的存在时间、颗粒团聚物的时间份额和颗粒团聚物的生成频率分布特性,模拟结果与文献的实验结果基本吻合.     

气-固环流反应器内瞬态流体力学特性的数值模拟

采用双流体模型和颗粒动力学理论,并考虑颗粒团聚现象对气固相间曳力的影响,对气-固环流反应器内的流体力学特性进行了数值模拟。模拟的时均固含率和颗粒速度与实验数据具有较好一致性,验证了模拟方法的可靠性。模拟结果表明：气-固环流反应器内瞬态固含率的分布具有典型聚式流态化的非均匀特征;压力脉动沿床层轴向的分布在一定程度上定性反映了气泡运动的信息;颗粒速度的时间序列和概率密度分布函数表明,床层各径向位置均存在颗粒的向上、向下运动,颗粒主体在床层内向上运动的同时还存在微观的内循环运动,模拟值为颗粒时均速度的径向非均一性宏观分布提供了合理的微观解释。     

含内构件的循环流化床的动态压力特性

针对含内构件的循环流化床,以石英砂为物料,使用动态压力传感器测量了含内构件的流化床中气固两相流的动态压力,分析了床内的瞬时压力特性. 结果表明,在进出口总压降中,文丘里压降最大,占主床压降的60%以上. 表观气速和固体颗粒循环流率共同影响循环流化床内的压力特性. 压力瞬时波动功率谱分析表明,压力波动对应一个主频,表观气速越小、颗粒循环流率越大时,压力波动越大,且循环流化床底部压力波动比上部大. 加入内构件能有效引导气流,使流动更均匀.     

Comparative study of flow structures in a circulating-turbulent fluidized bed

This paper presented a comparison of flow structures in a newly designed circulating-turbulent fluidized bed (C-TFB), which has a high solids holdup and solids flux, with two commonly used fluidized beds reactors (circulating fluidized bed (CFB) and turbulent fluidized bed (TFB)). Experimental results included instantaneous solids concentration and particle velocity, and local solids flux. Results indicated that the flow behavior in the C-TFB possessed both similarities and differences with the TFB and high-density CFB. Many distinct advantages of the C-TFB flows were found.     

A Practical Method to Estimate the Bed Height of a Fluidized Bed of Fine Particles

Knowledge of both dense bed expansion and freeboard solids inventory are required for the determination of bed height in fluidized beds of fine particles, e.g., Fluidized Catalytic Cracking (FCC) catalysts. A more accurate estimation of the solids inventory in the freeboard is achieved based on a modified model for the freeboard particle concentration profile. Using the experimentally determined dense bed expansion and the modified freeboard model, a more practical method with improved accuracy is provided to determine the bed height both in laboratory and industrial fluidized beds of FCC particles. The bed height in a fluidized bed can exhibit different trends as the superficial gas velocity increases, depending on the different characteristics of the dense bed expansion and solids entrainment in the freeboard. The factors that influence the bed height are discussed, showing the complexity of bed height and demonstrating that it is not realistic to determine the bed height by a generalized model that can accurately predict the dense bed expansion and freeboard solids inventory simultaneously. Moreover, a method to determine the bed height, based on axial pressure fluctuation profiles, is proposed in this study for laboratory fluidized beds, which provides improved accuracy compared to observation alone or determining the turning points in the axial pressure profiles, especially in high‐velocity fluidized beds.     

ＣＦＢ稀相段直长对颗粒内循环流动规律的影响

采用光纤探头测定Ｄ１m射流循环流化床（半圆形）稀相区颗粒速度、颗粒浓度和颗粒流通量的径向分布规律,并考察了操作条件及其轴向的影响,实验结果表明,在循环流化床（ＣＦＢ）中,颗粒流动在床层径向有较大的不均匀性,并呈明显的内循环流动结构,进而考察了影响其流动规律的,以期进一步理解循环流化床颗料流动机理,强化和改善反应器的设计操作。     

Flow of gas and particles in a bubbling fluidized bed with a filtered two-fluid model

Numerical simulations of gas-particles flow in a bubble fluidized bed with two large eddy simulations of gas and solid phases are presented. For gas phase and solid phase, the sub-grid scale model for the viscosity is based on the Smagorinsky form. The sub-grid model for the particle pressure proposed by Igci et al. (2008) is modified by replacing the minimum fluidization velocity. The collisional interaction of particles is considered by the kinetic theory of granular flow. Flow behavior of gas and particles is performed by means of these two sub-grid scale models. The subgrid closure for the particle phase viscosity and pressure led to a qualitative change in the simulation results. Predictions are compared with experimental data measured by Yuu et al. (2000) and Taghipour et al. (2005) in the bubbling fluidized beds. The distributions of concentration and velocity of particles are predicted in the bubbling fluidized bed. The predicted filtered particle phase pressure increases and the filtered particle phase viscosity decreases with the increase of particle concentration. The qualitative importance of the model constant c_s of particles is demonstrated.     

管内稠密气固两相流数值模拟计算:颗粒动力学方法

基于稠密气固两相流流体动力学模型、颗粒动力学的颗粒湍动能模型 (KTGF)和气体湍动能模型(SGS) ,模拟计算结果得到了实验研究所揭示的环 -核流动结构 .模拟计算与Miller和Gidaspow的实验结果进行了比较 ,颗粒相浓度、速度和颗粒相动力黏性系数分布与实验值基本吻合 .     

Transition from Low Velocity to High Velocity in a Three Phase Fluidized Bed

The onset liquid velocity demarcating the conventional and the circulating fluidization regimes of three‐phase fluidized beds was determined by measuring the time required to empty all particles in a batch fluidized bed at various liquid and gas velocities. Experiments were performed in a gas‐liquid‐solid circulating fluidized bed of 2.7 m in height using glass beads of 0.508 mm in diameter as solid phase and air and tap water as the fluidizing gas and liquid, respectively. The results show that gas velocity is a strong factor on the onset liquid velocity. Higher gas velocity yields a lower onset liquid velocity. It is also demonstrated that the onset liquid velocity has the same value as particle terminal velocity in a gas‐liquid mixture. Within the gas‐liquid‐solid circulating fluidization regime, the solids circulation rate is increased with the total liquid velocity and the auxiliary liquid velocity.     

液固循环流化床两相流动模型

引　言流化床换热器具有防、除垢和强化传热等优点 ,在化工、食品、海水淡化、废水处理等领域具有广阔的应用前景[1].目前 ,流化床换热器历经散式流化床、内循环流化床 ,已发展到外循环流化床换热器[2 ],它要求在较稀的颗粒浓度 (颗粒浓度小于 5% )、较高的流速 ( 1～ 3ｍ·ｓ- 1)下操作 .流化床换热器中液体流动及颗粒运动状态的研究对流化床换热器的设计和操作具有重要意义 ,但人们对循环流化床换热器中颗粒运动情况的研究还很缺乏 .考虑到循环流化床换热器中的每根换热管都可作为一个独立的循环流化床对待[3].本文试图建立一滑移速度模型…