三维喷动床内异径干湿颗粒混合特性数值模拟

基于计算流体力学-离散单元法,建立了三维喷动床内气固两相流数学模型,采用Fortran语言编制了并行数值模拟程序。对三维喷动床内两种不同直径的干颗粒及湿颗粒的混合特性进行了数值模拟,并从颗粒角度分析了双组分颗粒的运动机制。利用Lacey混合指数对床内整体以及特定区域的混合程度进行了定量分析,并研究了液桥体积、颗粒密度比以及表观气速对异径颗粒混合的影响。结果表明:在单孔射流喷动床内,干湿两种颗粒流动方式相似,湿颗粒无明显的聚团现象;液桥力对小直径的颗粒影响较大,使不同直径湿颗粒速度差减小;环隙区内颗粒的混合是影响整床颗粒混合的关键因素;液桥体积对颗粒混合的影响较大,对颗粒密度比以及表观气速的影响有限。     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法（LBM）与离散单元法（DEM）相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明：颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

流体-固体两相流的数值模拟

鉴于流体 -固体两相流及其数值模拟在化学工程中愈来愈广泛的应用 ,本文综述了Euler坐标系下流体相湍流模型、颗粒轨道模型以及流体 -颗粒双流体模型的基本原理和数值模拟方法 ;对相间耦合和颗粒间的相互作用也进行了介绍 ,特别是对能详细描述多颗粒间相互作用的颗粒离散单元法在流体 -固体两相流中的应用进行了详细描述 ;在评述各模型的优缺点和分析目前存在的问题的基础上 ,提出了今后的发展方向     

导向管直径对喷动床流动特性影响的计算颗粒流体力学数值模拟

导向管喷动床是较为常见的一种喷动床改进床型,通过阻断喷动区与环隙区气固接触来提高颗粒循环的规律性与稳定性。本文采用计算颗粒流体力学（CPFD）方法对于直径150mm的柱锥式导向管喷动床进行了数值模拟研究,考察了导向管直径对于喷动床内颗粒流动特性的影响,从环隙区死区分布、颗粒速度分布、固体循环量等方面分析了具有不同直径导向管喷动床的运行状态。结果表明,加入导向管在减少床内死区的同时也降低了运行时的固体循环量,对于本次采用的喷动床结构尺寸与运行参数,只有在导向管直径为40～60mm时才能保证床内具有良好喷动状态,综合考虑各因素,选用直径50～55mm的导向管最为合适。对于具有类似结构与运行条件的柱锥喷动床,导向管直径可考虑选为无导向管运行时喷动区直径的1.2～1.375倍。     

导向管液固喷动床的数值模拟研究

本文以液-固两相流理论为基础,用颗粒动力学理论描述颗粒与颗粒间的碰撞,用标准湍流方程模拟液相和颗粒相的湍动,并且考虑液-固两相的相互作用,旨在探索一种工程设计和放大的新方法。对比颗粒循环速率和密相区真实液相流速的模拟结果与实验值,结果吻合较好。     

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。     

对导向管喷动流化床床体流动周期性波动的数值模拟

以水和玻璃颗粒体系为研究对象,以液-固两相流理论为基础,采用欧拉-欧拉模型对导向管喷动流化床环隙处于近似活塞流时床体流动周期性波动进行数值模拟。动量与质量守恒方程通过有限体积法分别计算。通过曳力,湍流颗粒波动时的能量耗散进行耦合,包括颗粒与颗粒之间的磨擦作用。模拟结果与实验观察相吻合,颗粒质量流率波动频率为3.5Hz。分析了由环隙卷吸进导向管的水的变化和环隙区与导向管中心处的压降比的变化对床体流动周期性波动的影响。     

单孔射流流化床内颗粒混合特性的数值模拟

在欧拉-拉格朗日坐标系下,采用离散单元法对单孔射流流化床内颗粒混合特性进行了数值模拟。引入混合指数对床内轴向及径向布置的颗粒混合质量进行定量分析,并研究了不同表观气速、不同弹性系数对颗粒混合特性的影响。模拟得到了颗粒轴向及径向混合序列图、气体和颗粒速度分布、整床颗粒混合指数分布、参量变化时整床颗粒混合指数分布。结果表明：流化床床层内颗粒混合速度受颗粒内循环能力和颗粒扩散能力的综合作用。单口射流喷动流化床颗粒轴向混合速度主要由颗粒内循环速度决定,颗粒径向混合速度主要由颗粒扩散能力决定。表观气速增大时,颗粒内循环速度增加,从而加快了颗粒轴向混合进程,但对颗粒径向混合影响微弱;弹性系数增大时,颗粒混合速度及混合质量均下降,并且弹性系数增大对颗粒径向混合进程影响小于颗粒轴向混合。     

基于动态双重网格下喷动床滞止区流动特性CFD-DEM数值模拟

基于Fortran语言自行开发了基于动态双重网格方法下的喷动床内气固两相流动的CFD-DEM方法,同时开展了喷动床内径向混合实验与模拟研究,又结合单网格方法对喷动床内0~2.0 s内的滞止区特性进行对比分析,验证了动态双网格方法计算结果的准确性。然后利用动态双网格方法对不同进口气速下和不同初始堆积高度下的喷动床进行数值模拟研究,对滞止区颗粒流动过程进行追踪,结果表明：径向混合实验结果与数值模拟结果有很好一致性;在喷动床内存在一定的滞止区,滞止区内的颗粒流动性较差;初始堆积高度不变,随着进口速度的增加,滞止区高度下降速率和向喷口延伸速度无明显变化;进口速度不变,随着初始堆积高度的增加,滞止区颗粒下降速度随之增加,但其向喷口延伸速度逐渐变慢。     

基于粗糙颗粒动理学流化床内颗粒与幂律流体两相流动特性的数值模拟研究

在颗粒动理学理论（KTGF）的基础上,通过引入表征粗糙颗粒摩擦和切向非弹性的切向弹性恢复系数β,以及综合反映颗粒平动和旋转运动脉动强度的颗粒拟总温e₀,结合输运理论建立了考虑颗粒旋转作用的颗粒相质量、动量和颗粒拟总温守恒方程。并在求解了同时具有平动和旋转运动的能量耗散和颗粒相应力等参数的前提下提出了颗粒相压力、剪切黏度和能量耗散等本构关系式以及边界条件,最终得出了粗糙颗粒动理学理论（KTRS）。通过改变液相的流变特性,分析了幂律流变模型中流动指数n和稠度系数K_l对流化床内流固两相流动特性的影响,模拟结果表明：随着流动指数和稠度系数的增大,液相湍动能耗散率逐渐增大,而颗粒相压力逐渐减小,颗粒旋转先增大后减小。     

DEM simulation on particle mixing in dry and wet particles spouted bed

In this paper, the mixing characteristics of the dry and wet particles in a rectangular spouted bed are simulated using a three-dimensional discrete element method (DEM). In particular, the influence of turbulence and liquid bridge force is investigated using the standard k-ε two-equation model and the Mikami model. The Ashton mixing index is adopted to evaluate the dynamic mixing process of the particle system. The geometry of the simulated bed is the same as that of the experimental bed by Liu et al. [G. Q. Liu, S. Q. Li, X. L. Zhao, Q. Yao. Chem. Eng. Sci. 63 (2008) 1131-1141]. The effect of the spouting gas velocity on the mixing process is discussed for the mixing of dry particles (without the liquid bridge force), while the effect of the moisture content is discussed for the mixing of wet particles (with the liquid bridge force).     

不同气速下喷动床喷泉区颗粒特性的模拟分析

以欧拉多项流模型为基础,对底角锥度为60°、床直径为0.44 m的喷动床内气固两相流的动力学特性进行了模拟研究,并对不同气速下喷泉高度、颗粒体积分数、颗粒速率的变化进行分析,结果发现喷泉高度与进口气速在u/ums=1.2～1.8范围内具有良好的线性关系,拟合度可达到0.9997。固体颗粒体积分数在轴心区域较高,随着径向距离的增加逐渐下降,且随高度的增加呈现先减小后增大的趋势;颗粒体积分数受速率的影响较大,随着喷动速率的增大,颗粒体积分数趋于减小,但减小幅度不同。颗粒速度在喷泉核心区随床层高度增大而减小。同一床层高度上的颗粒速度随气速的增加而增大,但增大值不同。     

气流干燥含湿氧化铝颗粒传热传质数值模拟

基于二相流理论,提出了一个描述含湿氧化铝颗粒气流干燥过程的一维数学模型。模型考虑了干燥管内气固二相间的传热传质和动量传递、含水质量分数和气固二相温度的变化。根据B ird所提出的努赛尔数经验公式,利用标准四阶龙格-库塔法对由非线性常微分方程组成的气流干燥耦合模型进行计算,得到了含湿氧化铝颗粒在不同气流干燥条件的干燥曲线。整个干燥过程中数值计算结果与试验实测数据吻合得很好,可以用来预测含湿氧化铝颗粒的干燥含水质量分数。     

旋转流化床粉体混合机混合效果数值模拟和实验验证

为了对旋转流化床粉体混合机进行优化设计,采用CFD-DEM联合仿真的方法,对旋转流化床粉体混合机内球形颗粒的混合过程进行数值模拟,通过Lacey指数具体评价颗粒的混合效果,研究了进气管倾斜角度、进气管布置方式、进气方式对球形颗粒混合效果的影响,并进行球形颗粒混合实验验证。结果表明,进气管最合适的倾斜角度应保证气流作用区域面积恰好为底部颗粒物料区域面积的一半。进气管水平布置时能够保证很好的混合质量及较快的混合速率。脉冲及连续方式进气均能实现均匀混合,脉冲进气方式比连续进气方式耗气量更低。颗粒混合实验有很好的混合效果,与数值模拟的结果具有较高的一致性,从而获得了一种混合效果优越的结构形式,进气管倾斜角度α=35°,水平布置。     

回转干馏炉内颗粒间传热特性的数值模拟

将离散元方法与颗粒热传导模型相结合,研究了页岩灰颗粒与油页岩颗粒在回转干馏炉内的混合传热过程,采用混合指数、颗粒平均温度和温度标准偏差作为评价混合传热效果的指标,分析了填充率、炉体转速、油页岩粒径及抄板形式对颗粒间混合传热特性的影响规律。结果表明,炉体转速和油页岩粒径是影响颗粒混合传热效果的主要因素,而填充率和抄板形式对混合传热效果的影响相对较小。当炉内未设抄板时,随着填充率和油页岩粒径的增大,颗粒间分层现象使混合传热效果变差,而随炉体转速的提高传热效果呈现出先增强后减弱的趋势;设抄板时,抄板形式对炉内颗粒间的混合起到不同程度的扰动作用,从而使传热效果得到显著改善。     

Numerical simulation of two-dimensional spouted bed with draft plates by discrete element method

A discrete element method (DEM)-computational fluid dynamics (CFD) two-way coupling method was employed to simulate the hydrodynamics in a two-dimensional spouted bed with draft plates. The motion of particles was modeled by the DEM and the gas flow was modeled by the Navier-Stokes equation. The interactions between gas and particles were considered using a twoway coupling method. The motion of particles in the spouted bed with complex geometry was solved by combining DEM and boundary element method (BEM). The minimal spouted velocity was obtained by the BEMDEM-CFD simulation and the variation of the flow pattern in the bed with different superficial gas velocity was studied. The relationship between the pressure drop of the spouted bed and the superficial gas velocity was achieved from the simulations. The radial profile of the averaged vertical velocities of particles and the profile of the averaged void fraction in the spout and the annulus were statistically analyzed. The flow characteristics of the gas-solid system in the two-dimensional spouted bed were clearly described by the simulation results. __________ Translated from Chemical Engineering (China), 2007, 35(6): 24–28 [译自: 化学工程]     

Numerical study of mixing and thermal conduction of granular particles in rotating tumblers

A discrete element method (DEM) study is conducted to investigate the mixing and heat‐transfer characteristics of steel spherical particles under various rotation speeds and flow regimes of a rotating tumbler. The mixing degree, weighted temperature, temperature discrepancy at the mixing interface, temperature radial distribution, and information entropy are used to analyze the effect of mixing structure and evolution duration on the heat‐transfer characteristics. The results under the same revolution and the same evolution time are compared to show the effects of evolution time and mixing structure on thermal conduction. After a detailed analysis, the joint contribution of mixing degree and duration to granular heat transfer is explained, and the different approaches in static thermal conduction and dynamic mixing are shown. Moreover, a new method is proposed using the mean increase rate of temperature information entropy to determine the most effective operating condition for thermal conduction in granular particles. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 1906–1918, 2013