bubble-based EMMS/PFB模型的建立及在加压流化床浓相段的应用

基于多尺度分解和能量消耗分析方法,结合压力下锥形分布板射流床气泡直径关联式,建立了一个适于加压流化床(PFB)的能量最小多尺度模型——bubble-based EMMS/PFB模型。应用此模型模拟一个二维加压射流床,分析了操作压力、位置高度、空隙率及剩余速度对非均匀因子的影响。通过模拟结果与实验数据的对比,发现该模型相比于Gidaspow模型,能够更准确地模拟加压射流床内颗粒浓度的分布状态及颗粒靠近壁面处的速度变化;将这种曳力模型应用到流化床浓相段的模拟,预测了床内颗粒浓度瞬时分布及沿轴向的时均值分布、颗粒的速度分布等流动行为,使流化床浓相段的气固流动行为可视化,对流化床的设计、放大有一定的指导作用。     

CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用

提出广义区域覆盖法用于定位计算节点区域,利用Fluent软件的UDFs实现颗粒信息在计算节点间高效、准确地传递,建立了适用于非正交网格的CFD-DEM模型并行求解方法,在探讨并行模型计算效率的基础上对埋管流化床和单孔射流流化床内的气泡行为及双支腿流化床半床间的颗粒交换行为进行了数值模拟研究并对比实验结果。结果表明：CFD-DEM模型并行求解方法能够快速传递及收集计算节点内的颗粒信息;广义区域覆盖法降低了颗粒在计算节点内的定位时间,提高了模型的并行计算效率;能够捕获与Rong等一致的埋管周围气泡行为（其频率约为3 Hz）,获得了与Bokkers等结果接近的单孔射流气泡尺寸及颗粒速度矢量分布,双支腿流化床半床间颗粒交换行为与实验结果一致,第一主频约为1 Hz,第二主频大于2 Hz。     

颗粒流体两相流能量最小多尺度作用(EMMS)模型简介

颗粒流体两相流能量最小多尺度作用模型(EMMS模型)认为,不均匀两相流系统中存在多尺度的相互作用,通常的动量质量守恒条件并不足以确定系统的状态,稳定性条件是必要的。该模型实现了对不均匀两相流状态的定量描述和对聚式散式流态化系统的统一关联,并揭示了不均匀结构、饱和夹带、流型过渡等重要现象的机理。本文简述了该模型的基本思想和要点。     

确定性颗粒轨道模型在流化床模拟中的研究进展

随着计算机硬件的发展,基于颗粒尺度模拟稠密气固两相流的颗粒轨道模型发展很快.本文回顾了目前流化床模拟中确定性颗粒轨道模型的研究状况,概述了处理颗粒碰撞的硬球模型、软球模型以及DSMC方法在国内外流化床模拟中的研究成果,评述了颗粒间相互作用处理方法的优缺点以及适用的系统等,指出了确定性颗粒轨道模型发展亟待解决的问题,展望了确定性颗粒轨道模型未来的发展趋势.     

EMMS曳力模型及其颗粒团模型的构建和检验

准确描述颗粒团聚特性是发展完善基于多尺度最小能量原理（EMMS）的曳力模型的重要方向之一。提出描述颗粒团聚特性的数学模型,不仅符合物理判断,而且与实验结果吻合。采用颗粒团模型,改进EMMS曳力模型,与实验及直接数值模拟结果吻合较好。改进的曳力模型与欧拉-欧拉双流体方法耦合,实现了不同工况下A、B类颗粒流化床流动特性的数值模拟。成功预测了颗粒非均匀分布特性、局部滑移速度、局部非均匀度以及噎塞状态。     

EMMS曳力模型及其颗粒团模型的构建和检验

准确描述颗粒团聚特性是发展完善基于多尺度最小能量原理(EMMS)的曳力模型的重要方向之一。提出描述颗粒团聚特性的数学模型,不仅符合物理判断,而且与实验结果吻合。采用颗粒团模型,改进EMMS曳力模型,与实验及直接数值模拟结果吻合较好。改进的曳力模型与欧拉-欧拉双流体方法耦合,实现了不同工况下A、B类颗粒流化床流动特性的数值模拟。成功预测了颗粒非均匀分布特性、局部滑移速度、局部非均匀度以及噎塞状态。     

气固流化床中气泡流运动特征和空隙率径向分布

引言流态化技术在工业领域应用越来越广,但由于流态化行为复杂,许多内在规律还有待于进一步揭示．气固流化床中最基本的特征是颗粒聚集的乳化相与气体聚集的气泡相共存,它的复杂性就在于它的不均匀性和多态性．气固流化床中的不均匀性是由空隙率分布来描述的,然而空隙率的分布目前还未能从理论上得到定量的描述．气固流化床内的空隙率分布与气泡的运动密切相关,因此对床层空隙率的了解最终决定于对流化床气泡运动的研究．在此作者采用流体力学的方法从宏尺度和宇尺度范围来探讨气固流化床内气泡的运动规律,建立相应的多尺度、连续介质…     

基于FTM方法的双气泡融合特性模拟

采用界面追踪法(FTM)对气泡融合现象进行数值模拟,将模拟结果与文献结果进行对比,验证了计算模型的准确性。结果表明,同轴双气泡上升速度均高于单独气泡的上升速度,且融合后气泡与等直径单气泡上升速度相同。气泡间距较小时,跟随气泡的上升速度更高。引导气泡的厄特沃什数Eo=0.36~9,Eo较大时两气泡上升阶段时间较短,但接触阶段时间较长,接触阶段气泡间的液膜在压力作用下逐渐变薄,最终破裂,气泡融合。Eo?4.16时,气泡融合所需时间随Eo增加而增加;Eo?4.16时,气泡融合所需时间不再变化。莫顿数Mo=0.57,Eo=5.04~18.72时,存在特定的双气泡初始角度?c,当0?≤?≤?c时,双气泡相互排斥;当?c≤?≤90?时,双气泡融合,且?c随Eo增加而降低.     

运用稠密气体理论建立气粒两相流流动模型

循环流化床内的复杂流动特征使其工业放大较困难,迄今对其流动特征尚缺乏充足的理论解释。本文从流体力学及稠密气体分子运动的相关理论出发,定义了“颗粒温度”;对双颗粒碰撞分布函数建立了Ｂｏｌｔｚｍ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ方程,简单介绍了该方程的求解方法,从而进一步推导出颗粒相的连续方程、动量方程、拟热能（颗粒温度）方程,给出了颗粒相的压力、粘度和关于颗粒温度传递系数的表达式,建立了完整的颗粒相湍流动力学模型,并把模拟结果与实验结果相比较,进一步验证了模型的科学合理性。     

脉冲气流对烯烃流化床气泡特性的影响

流化床具有良好的传热传质效率,因此广泛应用于煤粉燃烧、气力输送等场合。但是流化床在工作过程中会产生一定的恶性流动,脉冲的振动能量可以有效地提高流化床的传热系数,减少恶性流动现象发生。本文设计、搭建了烯烃流化床实验平台,通入混合脉冲气流。通过改变脉冲气流的相关参数,对静电信号进行功率谱密度函数分析。并基于静电信号估算气泡尺寸,从而获得流化床内气泡行为的变化。实验结果表明,脉冲气流的加入对气泡尺寸有一定的影响。随着脉冲频率的增加,气泡尺寸呈现先减小后增大的趋势,在脉冲频率为0.5Hz左右时气泡尺寸最小。脉冲气流加入后使得气泡尺寸减小,提高了颗粒流化效果,因此烯烃流化床内流化结束后的团聚颗粒质量明显降低。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

深层鼓泡床内偏涌现象的实验研究与数值模拟

针对催化裂化空筒汽提器中存在的气体偏涌现象,在一套大型空筒催化剂汽提器冷模实验装置中利用光纤探针法系统研究了偏涌的特性及其随床层高度的发展变化情况,并进一步利用一种新的离散颗粒计算流体力学模型(CPFD模型)对该现象进行了数值模拟研究.结果表明,在催化裂化汽提器操作条件下,偏涌主要发生在临近床层边壁的位置,造成周向上颗粒浓度分布呈现严重的不均匀性,偏涌的强度会随着床层高度的增大而减弱.CPFD模型不仅能够成功预测深层鼓泡床中存在的偏涌现象,而且可以定性预测偏涌强度沿床层高度的发展趋势,但定量预测结果较实验结果偏大.上述结果对工业汽提器的设计和故障诊断具有指导意义.     

管型混合澄清槽内的液-液两相流的数值模拟

管型混合澄清槽在工业生产中具有广阔的应用前景。通过计算流体力学分别对管型混合澄清槽内的混合室和澄清室进行数值模拟,系统地探究了分散相液滴尺寸（d₃₂₌ 100~500 μm）、进料油水比（O∶A = 1∶1~1∶5）、入口挡板及入口位置对混合澄清效果的影响,并将模拟结果与传统方型混合澄清槽进行对比。结果表明,管型混合室内的流场分布更合理,不易形成流动死区。管型混合室内搅拌桨上方和下方形成压力更小的低压区,流体的湍动能更大,搅拌性能更好。在混合室中,降低分散相d₃₂和进料油水比能够提高混合性能。在澄清室中,提高分散相d₃₂和降低进料油水比能够提高澄清性能,入口挡板能够有效提高澄清性能。     

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。     

平行流换热器两相流分配模型的建立与验证

制冷剂的分配不均对平行流换热器的换热性能会产生重大影响。基于T型管的T-junction模型,联立质量方程和压力方程,设计合适的算法建立平行流换热器两相流流量分配的模型,该模型的优势在于无需已知分歧管流量可模拟分歧管的分配特性。在此基础上,将模型的计算结果与实验数据对比验证,验证了模型有效性,为平行流换热器的设计提供合理的依据。计算并分析了干度与质量流量对平行流换热器分配的影响,结果表明干度对平行流换热器分配的影响不大。在干度不变时,提高流体的质量流量可以对平行流换热器流量分配进行改善。     

基于颗粒直径大小对环形空间携屑影响的数值模拟

钻井是开发石油资源一个非常重要的环节和技术手段,井中岩屑易在井眼底部形成岩屑床,导致下钻遇阻、蹩泵甚至卡钻,因此岩屑运移机理的研究对钻井作业来说至关重要。通过对现场实际情况的调研,得到井下上返颗粒的直径范围,进行数值模拟。运用Solid Works对井下环形空间进行建模与装配,得到井下环形空间的三维模型。使用软件建立井下环形空间的简化模型,通过应用FLUENT中动网格部分的UDF编写成功地实现了钻杆的旋转。运用FLUENT数字模拟软件,通过对流体非定常流的数值模拟,对岩屑在环形空间的运移规律进行研究,模拟条件更加接近实际情况,结果更加精确,可以为钻井井眼清洁工作提供科学参考。     

鼓泡塔内空气-醋酸体系流体力学参数的CFD-PBM耦合模型数值模拟

通过二维和三维CFD-PBM耦合模型对空气-醋酸体系中流体力学参数进行数值模拟,采用表面张力修正曳力模型与聚并模型,考察了醋酸浓度对鼓泡塔内气含率、气泡大小分布及轴向液速等参数的影响,与差压法、光纤探针和电阻层析成像技术（ERT）测量的实验数据进行了对比,并讨论分析了气含率和气泡直径等流体力学参数的模拟结果。结果表明,醋酸浓度在70%~80%（质量分数）范围内平均气含率存在最大值,且平均气含率的预测值在±10%误差内,三维模拟结果和ERT实验值吻合较好,说明修正后的模型在不同浓度醋酸体系中具有较好的预测性。     

文丘里卷吸型气液分配器液体分配性能的结构参数研究

为了改善滴流床用的内卷吸型气液分配器的液体分散差的现象,提出了一种文丘里卷吸型气液分配器,并对其结构参数进行了参数化研究,定量认识卷吸型分配器的结构参数对其气液分配性能的影响。在冷态实验装置上进行了文丘里卷吸型气液分配器性能实验,建立了耦合群体平衡模型的欧拉-欧拉两相流模型,数值模拟了文丘里卷吸型气液分配器气液两相分配流动过程。冷模实验结合数值模拟,系统性考察了各结构参数对卷吸型气液分配器的液体分布均匀性、喷淋半径以及压降的影响。结果表明,采用具备缩-扩结构的文丘里管作为降液管能够有效提升卷吸型分配器的分布均匀度和喷淋半径,并显著降低压降。通过正交试验,获得了主要结构参数与分配性能的相关性,给出了结构参数与性能指标的经验关联式。降液管的扩张段是改善液体分配性能的关键结构,其扩张角为30°时液体分配性能最好。