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。     

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。     

射流搅拌发酵罐中循环液量气含率和气泡直径的研究

本文测定了射流搅拌发酵罐中自由射流气泡区的气含率、气泡直径和液体循环量。研究了混合器、喷嘴尺寸、气速、清液层高度、液体粘度、表面张力对自由射流气泡区的液体循环量、气含率、气泡直径的影响。由理论分析及实验数据获得了液体循环量、气含率、气泡直径的关联式。模型关联式与实验值吻合良好。     

剪切变稀体系同心双轴搅拌釜内的气液分散模拟

气液搅拌设备因其良好的适用性被广泛应用于过程工业中。为更好地比较不同工况下剪切变稀体系中的气液分散情况,通过实验研究整体气含率和相对功耗确定适宜的转动模式,进而模拟研究表观气速、体系黏度、搅拌转速对气含率和气泡尺寸的影响。结果表明,相同功率下内外双桨反向旋转模式在理想气液分散条件下,相较于单轴内桨和内外双桨同向旋转模式具有更高的气含率和更好的气体泵送能力;表观气速的增加有利于气泡的均匀分散,但气泡尺寸也会随之增大;有效黏度的增加使得搅拌桨的影响区域变小,不利于气泡的均匀分散,气泡尺寸也随之增大;搅拌转速的增加使得循环涡流的影响区域变大,高气含率区不断扩大。     

多层新型桨搅拌槽内气-液两相流动的实验与数值模拟

对三层新型组合桨气-液两相搅拌槽内的流体流动进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)的方法对气-液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行了数值模拟,数值模拟采用了欧拉-欧拉方法,数值模拟结果与实验值吻合良好,同时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律. 研究结果表明,欧拉-欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气-液两相流的流动状况.     

桨型和导流筒型式对气液两相体系气含率的影响

在高径比为1.5、双层组合搅拌桨的气液搅拌反应器中,研究了桨型组合及导流筒结构对气含率的影响.研究发现,下桨排出流向上的气含率比排出流向下时的高;反应器中双层导流筒结构时的气含率结果最优,上层导流筒的开孔率应为6.90%或16.4%,上层搅拌桨应为透平桨.并对最优组合情况的气含率进行了关联.     

多室气升式环流反应器流动特性的数值模拟

在空气-水两相多室气升式环流反应器（MALR）中,采用欧拉欧拉两相流模型对扇形反应室内气液两相流动过程进行了数值模拟研究,考察了上升室的气含率、液体速度随表观气速的变化,最后用实验数据对模拟结果进行了验证.结果表明,某一上升室气含率受该室表观气速的影响较大,与另一上升室表观气速的影响较小;循环液体与上升室流体流动型式有关;气含率和循环液速的模拟值与实验值的平均相对误差分别为5.36％和8.28％;说明了应用数值模拟方法研究MALR流动特性的可行性.     

基于能量最小多尺度曳力模型的搅拌槽内气液两相流计算液体力学模拟及实验研究

采用双电导探针和欧拉-欧拉双流体模型对涡轮桨搅拌槽内局部气液分散特性分别进行了实验和三维计算流体力学(CFD)数值模拟研究。重点研究了转速对搅拌槽上下循环区局部气含率分布、全槽液相流场和湍动动能的影响。实验表明,转速对上循环区气含率分布的影响大于下循环区,且上循环区气含率随转速的增大而增大。CFD模拟比较了TOMIYAMA曳力模型和基于能量最小多尺度理论(EMMS)的DBS-Local曳力模型对局部气含率的预测结果。结果显示DBS-Local曳力模型能够较好地预测出不同搅拌转速下搅拌槽循环区气含率径向分布;TOMIYAMA曳力模型只能定量预测出低搅拌转速下(140r/min,280r/min)循环区的气含率分布,高转速下(420r/min,560r/min)该曳力模型不能模拟出下循环区壁面附近的气体,且低估了上循环区气含率。     

气液两相机械搅拌釜中翼型组合桨持气特性

研究了机械搅拌釜中翼型组合桨的组合方式、桨间距、通气位置及翼型桨的排出流方向对气含率的影响。在单位体积功率消耗相同的情况下,采用以翼型k5桨为下层桨、较低的通气位置及较大的桨间距为搅拌釜的几何结构,并采用翼型桨的排出流方向向上的搅拌方式,可以提高搅拌釜的气含率。给出了气含率与单位体积功耗和表面气速的关联式。     

高长径比气液固三相内环流反应器的流体动力学

在高径比为22的三相内环流反应器中,常温常压下,根据动量平衡原理建立了空气-水-石英砂三相物系的循环液速模型,并建立了上升区气含率、上升区固含率和底部换向区阻力系数模型;考察了在不同颗粒粒径下,表观气速对上升区固含率和液体循环速度的影响。结果表明:当粒径(ds)≤0.3mm时,上升区固含率随表观气速的增加变化呈平缓趋势,当0.3mmds≤1.2mm时,上升区固含率随表观气速的增加而呈先下降后增加的趋势;不同粒径下上升区循环液速均随表观气速的增加而增加;气含率、固含率和循环液速的计算值和实验值吻合较好,其平均相对误差分别为6.32%、4.56%和11.97%。     

初始分布对气固提升管动力学模拟的影响

近期研究表明,合理的初始分布能够大幅缩短气固提升管瞬态模拟从初始到达稳定状态所需的过渡时间。以此为基础,研究发现,若以时均统计的流场信息作为模拟的初始分布,则模拟能够很快达到稳定。然后,对影响过渡时间的各个时均流场参数(如压力、气固相速度、空隙率分布等)进行了敏感性分析,发现提升管的空隙率轴向分布是其中最为关键的因素。最后,利用EMMS(energy-minimization multi-scale)模型预测的空隙率轴向分布作为气固提升管动力学模拟的初始条件进行模拟,结果表明,计算很快能达到稳定,且预测的颗粒通量等参数与实验吻合较好。     

滴流床中液体流动的随机模型

本文以状态离散、时间离散的齐次Markov过程描述滴流床内液体的滴流与脉动流流动,提出了可直接计算任一床层高度上液体的流率分布和极限流率分布的方法和计算式。推导出了随机堆积球型颗粒床层中液体流动的转移概率矩阵。计算结果表明,本文模型计算值与实验值吻合较好。     

多通道流动电泳的计算流体力学模拟与实验研究（Ⅰ）离子分布模型

多通道流动电泳（MFE）是一种制备型流动电泳技术,采用计算流体力学方法描述MFE设备中的流体流动特性,以指导分离过程和分离设备设计.基于MFE分离过程中离子迁移方程、电解质解离方程和电中性方程建立描述各腔室pH值及离子分布的模型,并通过实验进行了验证.为后续计算流体力学模拟各腔室流场分布提供了基础.     

CFD simulation of gas-liquid flows in stirred vessel equipped with dual rushton turbines: influence of parallel, merging and diverging flow configurations

Computational fluid dynamics (CFD) was used to investigate the influence of parallel, merging and diverging flow configurations on the gas dispersion operation in stirred vessel. The simulation was based on the two-fluid model along with the standard k-ε turbulence model along with an appropriate drag correction to account for bulk turbulence [Khopkar, A.R., Ranade, V.V., 2006. CFD simulation of gas-liquid stirred vessel: VC, S33 and L33 flow regimes. A.I.Ch.E. Journal 52, 1654-1671]. The model predictions were compared with the published experimental data of Bombac, Zun [2000. Gas-filled cavity structures and local void fraction distribution in vessel with dual-impellers. Chemical Engineering Science 55, 2995-3001] for parallel flow configuration. The predicted results show reasonably good agreement with the experimental data. The computational model was then used to simulate the gas-liquid flows for the other two flow configurations. The results of this work provide ‘a priory’ information on the implications of flow configuration on the vessel performance.     

运用马尔科夫链模拟气化炉停留时间分布

将连续时间马尔科夫链与多级全混流串联模型结合建立停留时间分布数学模型。通过对气化炉流场的认识,将气化炉划分为几个区域状态,组成马尔科夫链状态转移图,用多级全混流模型表示该各个区域的混合程度。通过对两种气化炉停留时间分布的模拟和实验值进行对比,结果比较吻合,表明该模型模拟气化炉停留时间分布是可行的。     

二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

采用高速摄像法测量了0.20 m×0.02 m×2.00 m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。     

Measurement and Simulation of Fluid Flow in Agitated Solid/Liquid Suspensions

Numerical and experimental investigations were carried out to improve the knowledge of the flow field in solid/liquid suspensions in agitated vessels and to examine the ability of the commercial CFD, code CFX 4.2, for this application. The numerical results were compared with our own experimental results of time resolved Laser‐Doppler‐Velocimeter (LDV) and power input measurements with particle concentrations of up to 15 percent of the volume. To perform LDV measurements within the solid/liquid flow the refractive index matching method was used. Results of the CFD simulation show the necessity to use high grid resolution, the k‐ϵ turbulence model and an advanced discretization scheme to achieve a grid‐independent solution. Simplifications of the grid geometry were shown to be an acceptable way to minimize the time required for calculation. The comparison of experimental and numerical results shows good agreement for velocities and power input in the single‐ and in all two‐phase flow cases. Good agreement with regard to the kinetic energy k is also apparent, except in the region near the stirrer blades, where local maxima are underestimated by the simulation.     

三种湍流模型下搅拌釜内气含率特性的模拟

采用计算流体力学（CFD）方法,应用Euler-Euler双流体模型,桨叶采用多重参考系法（MFR）,与考虑气泡聚并与破碎对气泡尺寸影响的群体平衡模型（PBM）相结合,比较了标准k-ε、Realizable k-ε和RNG k-ε3种湍流模型对双层涡轮搅拌釜内气-液两相液相流场、局部气含率及气泡尺寸分布的影响。结果表明：3种湍流模型预测的液相流场流型相似,总体气含率预测值相差不大,均与实验值吻合较好。对于局部气含率,标准k-ε和RNG k-ε模型在桨叶区的预测值偏大,在接近自由液面处三者预测值均偏低,Realizable k-ε模型预测结果与实验值符合最好;对于气泡尺寸,3种湍流模型预测结果均与实验值较吻合,在靠近自由液面处预测值均偏小,气泡尺寸分布与湍流长度分布相吻合。     

Three‐dimensional simulation on multilayer parison shape at pinch‐off stage in extrusion blow molding

We tried to predict the multilayer parison shape at pinch‐off stage in extrusion blow molding by nonisothermal and purely viscous non‐Newtonian flow simulation using the finite element method (FEM). We assumed the parison deformation as a flow problem. The Carreau model was used as the constitutive equation and FEM was used for calculation method. Multilayer parison used in this simulation was composed of high‐density polyethylene (HDPE) as inner and outer layers and low‐density polyethylene (LDPE) of which viscosity is five times lower than HDPE as a middle layer. We discussed multilayer parison shape in pinch‐off region. The results obtained are as follows; the parison shape of each layer was clearly visible in the pinch‐off during the mold closing. In addition, the distribution of parison thickness ratios for each layer was located for a large deformation near the pinch‐off region. The melt viscosity for each layer has an influence on the melt flow in the pinch‐off region. In a comparison with an experimental data of parison thickness ratios, the simulation results are larger than the experimental data. These simulation results obtained are in good agreement with the experimental data in consideration of the standard deviations. POLYM. ENG. SCI., 2010. © 2010 Society of Plastics Engineers     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。