DSMC方法在大规模气固两相撞击流中的应用

将直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法应用于颗粒数目庞大的大规模气固两相撞击流的数值模拟研究,旨在解决基于拉格朗日法模型难以模拟含大量颗粒碰撞的多相流问题,建立了气固两相撞击流的数理模型。应用所建立模型计算分析了撞击流中的气相流动、颗粒运动、颗粒及颗粒碰撞位置分布;并对模型中考虑颗粒碰撞和不考虑颗粒碰撞时,计算获得的颗粒运动行为、停留时间以及对气相的影响等结果进行了对比分析。结果表明：经发展,DSMC方法能够有效地应用于大规模气固两相撞击流的数值研究;颗粒运动区域可分为颗粒碰撞区、颗粒射流区和颗粒发散区;颗粒碰撞主要发生在颗粒碰撞区内,使得颗粒在该区域富集,且明显缩短颗粒在撞击区的停留时间;在所研究的较小固气比条件下,颗粒的存在对气相流动的影响不显著。     

三相旋流分离器气液固耦合数值模拟研究

针对工程实际三相旋流分离器结构优化设计和特性难于把握问题,基于计算流动动力学CFD理论,建立了三相旋流分离器气液固耦合数值分析模型,采用Mixture多相流模型对旋流分离器进行气液固三相数值模拟,研究了不同进口流量工况下旋流分离器的分离效率与压力损失,确定了结构优化后旋流分离器的最优进口流量区间。     

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律. 数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述. 给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率. 数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.     

下行床弧面气固快速分离器内颗粒运动

采用二维相位多普勒颗粒分析仪(PDPA)对下行床弧面气固快速分离器内颗粒相的流动进行了定量测量，得到了分离器内颗粒运动向量图、体积通量分布和粒径分布. 颗粒通过气固惯性的差别、弧面、挡板的碰撞导向和浓缩作用实现气固分离. 弧面附近颗粒体积通量有较宽的分布，但主要集中在靠近弧面处，对分离有利. 在横向气相曳力和湍流扩散的作用下，在弧面附近小颗粒向外围扩散，粒度分布逐渐形成双峰特征. 减小喷嘴宽度，可以减弱颗粒向外围扩散的程度，提高分离效率.     

旋风分离器内气固两相流动特性的模拟研究

通过数值模拟对旋风分离器内的气固两相流动进行研究。采用RSM湍流模型和DPM两相流模型分析旋风分离器内的气固两相流动特性。旋风分离器内的气流切向速度呈中心准强制涡、外侧准自由涡的双涡分布,分界面大约在0.8倍排气管半径处;气流轴向速度呈中心上行、外侧下行的双行流分布,分界面即零速包络面大约与排气管直径一致;小粒径颗粒的运动具有随机性,粒径大于7μm的颗粒可以完全被捕集分离;流动的非轴对称特性和顶灰环对气固分离不利,应给予重视。     

提高旋风分离器效率的研究和探讨

1前言旋风分离器在炼油、石油化工及能源工业等方面起着越来越大的作用，应用十分广泛。旋风分离器无论是哪一种结构类型，都是从旋分器内薄弱环节入手而加以改进的新型高效旋风分离器。但是，旋分器内气固两相流动十分复杂．迄今尚无成熟的分离理论与数学模型．因而从旋分器设计技术上来提高旋风分离器的效率．目前存在着两个缺陷：①只考虑单个颗粒的运动，忽视颗粒群间的相互影响。②只考虑典型断面上的气流分布情况，而没有考虑许多薄弱环节的综合影响。为此，本文着重从旋风分离器结构上入手，通过优化各部分尺寸的匹配，采用特殊内部…     

双进气道旋风分离器内不同粒径颗粒流动特性

采用改进的RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型,对一种单入口双进气道旋风分离器内的气固多相紊流过程进行数值模拟。计算得到旋风分离器内不同粒径颗粒速度和浓度分布规律,结果表明:大粒径颗粒比小粒径颗粒轴向速度分布更平坦,切向速度峰值位置和外准自由涡区也越向壁面靠近;与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器内速度和不同粒径颗粒浓度分布轴对称性更好,大粒径颗粒切向速度峰值位置外移更明显,筒体段颗粒有更向壁面浓集的趋势,锥体段不同轴向位置处中心旋流区双进气道的颗粒浓度低于单进气道的。小粒径颗粒捕集能力增强,有助于提高分离器分离效率,减少不稳定流动导致结焦的颗粒源供给,从流动角度保证了抗结焦和长周期稳定操作。     

旋流气浮中气泡-颗粒碰撞效率影响因素理论分析

在旋流气浮接触区碰撞模型基础上,通过理论计算考察了物性、运行和结构参数对分散相颗粒/油滴与气泡碰撞效率的影响. 结果表明,物性参数中的分散相粒径与密度、运行参数中气泡直径与切向速度和结构参数中等效旋流直径对碰撞效率影响较大. 在旋流气浮工艺中,碰撞效率随分散相粒径增大而增大,但随气泡直径和分散相颗粒/油滴密度增大而减小;分散相粒径小于0.02 mm时,碰撞效率随切向速度增大而减小、随等效旋流直径增大而增大;分散相颗粒/油滴大于0.02 mm时,碰撞效率随切向速度增大而增大、随等效旋流直径增大而减小. 旋流气浮去除的主要是油滴大于0.02 mm的非溶解性油,因此,设备紧凑可提高气泡与分散相颗粒的碰撞效率,达到高效分离目的.     

考虑颗粒间碰撞的稠密气/固流动二阶矩两相湍流模型

将统一二阶矩两相湍流模型和颗粒动力学理论结合,推导并封闭了稠密两相流考虑颗粒间碰撞的统一二阶矩两相湍流模型.该模型用颗粒动力学理论模拟颗粒之间的碰撞,用各向异性的统一二阶矩模型考虑气相和颗粒相的湍流脉动,并用输运方程描述气固两相湍流之间的相互作用.最后用该模型对狭窄槽道内的气粒两相流动进行了模拟,模拟所得的颗粒水平方向和垂直方向的雷诺应力和实验结果吻合良好.结果表明,考虑颗粒间碰撞之后,颗粒水平方向雷诺应力的预报得到了明显改进.     

电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展

概述了国内外基于电场-旋流耦合场来强化非均多相分离的研究进展,并对相应强化分离方法进行分析与归纳。根据不同介质类别分别介绍了电场-旋流耦合强化液-液分离、气-固分离、气-液分离、固-液分离等多相介质分离技术、设备及工作原理,例如：动态/静态静电旋流脱水装置、静电旋风除尘器/摩擦旋风分离器、静电旋风除雾器及电动旋液分离器。总结了电场类型与分布、耦合场与液滴、颗粒作用、耦合场数值模拟方法等,为研究电场-旋流耦合强化分离多相介质提供依据。针对特殊多相介质（如黏度大、密度差小及弱/无电导率等）分离性能较差的问题,本文提出应综合考虑耦合设备的结构尺寸、操作参数及安装条件,在提高分离效率的基础上,应加强电场-旋流耦合装置运行安全性的研究以扩大耦合强化多相介质分离的适用范围。     

同轴双锥两级气固快速分离器冷态实验研究

下行循环流化床反应器要求气固分离器具有分离效率高、气相停留时间短、压力损失小、设备磨损小等特点。利用气固二相在惯性上的差别,提出了一种新型同轴双锥两级气固快速分离器,并以FCC(F lu id Catalytic Crack ing)为循环物料对该型分离器的分离特性进行了研究。结果表明,同轴双锥两级气固分离器的分离效率在98%以上,气固分离器的压力损失在100 Pa以下,设备磨损小,能够满足下行循环流化床反应器的要求。     

鳍片管束分离器气固两相流动特性的PDA试验研究

<正>引言 惯性分离器与旋风分离器相比具有结构简单、易于布置、运行费用低等优点,因此广泛应用于循环流化床锅炉中。现有的许多惯性分离器都占据一个很大的水平烟道,使过热器布置不便,且对材质要求高,不能很好地满足大型化循环流化床锅炉的需要。浙江大学开发的新型鳍片管束撞击式分离器,其分离元件是由鳍片焊在锅炉中垂直布置的过热管束或对流管束上构成,从而将分离与强化传热相结合,分离性能试验研究表明其具有高效、低阻、结构紧凑、能强化传热、降低磨损等优点。为进一步研究鳍片管束分离器的分离、传热、磨损等特性,本文用三维粒子动态分析仪（3D-PDA）对其流动特性进行了冷态试验研究,并考虑了来流风速和鳍片结构对流动特性的影响。本文对测试结果进行了分析讨论,这些结果为鳍片管束分离器的优化设计以及气固分离机理的研究奠定了良好的基础。     

Numerical and experimental study on the effect of solid particle sphericity on cyclone pressure drop

The continuous flow inside cyclone separator is usually simulated by solving the Reynolds averaged Navier–Stokes equations in Eulerian reference frame whereas the dispersed phase is modeled using Lagrangian approach. Although these methods have had a remarkable success, more advanced ideas are needed to model particulate phase in cyclones, especially the non-spherical shaped particles. Numerical simulation is verified with experimental results for the gas-solid flow in a cyclone separator. Reynolds Averaged Navier–Stokes equations (RANS) employing the RNG-based k–ε turbulence model are used to simulate the gas phase. 3-D particle tracking procedure is used for the solid phase. Three different equations for the drag coefficient are utilized in the numerical modeling to acquire more understanding of the behavior of non-spherical particles in cyclones. Computations resulted in the difference of pressure between the inlet and exit of the cyclone, and results are compared with experimental data. Experiments included measuring the separation efficiency of different shapes and sizes of particles. The results indicate that the CFD simulation can effectively reveal the pressure drop behavior as well as separation efficiency of gas-non-spherical particle flow in cyclone.     

环流预汽提组合旋流快分系统粒级效率的三区计算模型

在大型提升管冷模实验装置上,系统地考查了带有环流预汽提的旋流快分(CVQS)系统的气相流场和粒级效率。结果表明,随着旋流快分系统喷出口气速的增加,粒径小于7 μm颗粒的粒级效率的变化较小,7～20 μm颗粒的粒级效率逐渐变小,而超过20 μm颗粒的粒级效率则逐渐增大。根据CVQS快分系统的气固分离原理和结构特点,建立了计算CVQS系统粒级效率的三区模型。计算结果表明,在颗粒粒径大于20 μm时,模型预测的粒级效率与实验值吻合较好,其最大相对偏差不超过6.1%;在颗粒粒径小于20 μm时,模型计算的粒级效率与实验值相差较大,其相对偏差在45.7%～80.3%之间变化,并且随着颗粒粒径的减小,其相对偏差逐渐增加。模型对于主要用于分离20 μm以上颗粒的CVQS系统的工程设计,具有重要参考价值。     

新型两段式气化炉的数值分析

对一种新型两段式水煤浆气化炉的气化效率进行了数值计算和分析。模型中将水煤浆的气化过程分为水分蒸发、煤热解、气相反应和气固异相反应等子模型。气相反应速率需同时考虑湍流混合和化学反应机理,气固反应的速率采用未反应缩芯模型。运用可实现k-ε模型描述气相湍流流动,随机轨道模型追踪水煤浆颗粒的运动。以中试多喷嘴水煤浆气化炉为建模基础,验证了该水煤浆气化模型的准确性。模拟计算得出新型两段炉的有效气组分含量为85.91%,冷煤气效率为76.42%。     

Numerical simulation of effect of inlet configuration on square cyclone separator performance

This paper presents a numerical study of the gas-solid flow in square cyclone separators with three types of inlet configuration. Three-dimensional Reynolds Stress Model (RSM) was used to simulate the turbulent flow of gas phase and a Lagrangian equation was used to simulate the particle motion. The resulting velocity, separation efficiency and pressure drops were verified by comparison with measured data. The effect of inlet configurations on the turbulent dynamics in the cyclone and the separation efficiency and pressure drop was analyzed. Results showed that inlet configurations influenced the turbulent dynamics in the cyclone and led to different pressure drop and separation efficiency. The separator with double declining inlets (DDI) had the minimum pressure drop and similar efficiency to the separator with double normal inlets (DNI). The separator with single normal inlet (SNI) had the best separation efficiency and the maximum pressure drop. When a baffle was installed in the inlet of separator SNI, the pressure drop increased by about 191% and 34% for the separator with a straight (SNI-1) and curved (SNI-2) baffle respectively on the basis of the pressure drop of separator SNI. The cut and critical diameter of particles were 2 μm and 14 μm for separator SNI-1 and 4 μm and 14 μm for separator SNI-2, while they were 8 μm and 30 μm for separator SNI at the same inlet conditions.     

通风管道结构形式对颗粒物沉积的影响

在矩形断面通风管道无因次颗粒物沉积速率计算结果与相关实验数据验证的基础上,对弯头、变径、三通等通风管道结构内的颗粒物沉积进行了数值模拟. 管道流动采用RSM湍流模型,并应用拉格朗日随机轨道模型描述气固两相流动中颗粒运动. 结果表明,直管段内无因次颗粒物沉积速率与相关研究结果变化趋势相近,直管段侧壁、顶面无因次颗粒物沉积速率在无因次松弛时间大于1时(粒径约10 mm)呈下降趋势. 弯头、变径及三通管段内颗粒物沉积率随斯托克斯数(St)增加而升高,当St<0.1时,3种管段结构内颗粒物沉积率均较小且相差较小;当St>0.1时,相同St下弯头内颗粒物沉积率最高,其次为三通和变径. 直管段内小粒径颗粒物(<10 mm)主要受湍流扩散作用而沉积,对于大颗粒的沉积则主要受重力影响;弯头、变径及三通管段内颗粒St>0.1时,颗粒物的沉积主要受惯性碰撞影响.     

半干法循环流化床脱硫反应器内构件研究进展

常规脱硫反应器存在着床内气固流动不均匀、脱硫剂利用效率低等问题。安装内构件可以破碎气泡和颗粒团聚,改善流化质量,强化脱硫反应器内的气固传质和反应过程,提高脱硫效率。本文介绍了近年来半干法循环流化床脱硫反应器内构件的研究现状,主要介绍了惯性式内构件、钝体式内构件、孔板式内构件、复合型内构件;阐述了各种内构件的形式及特点,其中惯性式内构件能够强化气固分离,但不能优化流场;钝体式内构件能够增强反应器内气固湍动程度,但对轴向混合影响不大;孔板式内构件能够均布流场,但易堵塞;复合内构件能够改善流化性能,强化气固接触,但床层压降较高。通过对装有不同内构件的循环流化床脱硫反应器中气固两相流动特点的分析,指明了各类内构件对流化床内气固流动的作用原理及优缺点,综合床层压降及颗粒浓度分布,并根据现有流化床脱硫反应器内构件特点提出了促进气固高效接触、降低床层压降等新型内构件的开发方向。     

加压条件下气固喷射器输送特性的三维数值模拟

利用Lagrangian和Eulerian法相结合的三维数值模拟技术,对影响收缩型气固喷射器的输送特性的关键因素进行数值模拟研究,数值模型中考虑了气固两相的相互耦合作用.模拟研究结果表明,气固喷射器内的固体颗粒轴向平均速度随收缩段的收缩角减小而增大,当收缩角小于一定值后,收缩角对喷射器内的固体颗粒速度以及气固两相流的混合的影响甚微.此外,收缩段的收缩角和驱动气体入口风速对收缩型气固喷射器内的静压分布也均有一定的影响.     

双层喷嘴进料提升管内气固流动混合特性的大型冷模实验研究

为改善催化裂化工艺的产品分布,在传统单层向上原料喷嘴进料结构基础上,增加了2个对称、向下的“副喷嘴”。通过一套大型冷模实验装置,考察这种新型双层喷嘴进料段结构内气固流动混合特性,同时利用射流“二次流”理论,分析了逆向喷嘴射流二次流在提升管内的形成发展过程。实验结果表明,与传统单层向上喷嘴（主喷嘴）结构相比,双层喷嘴结构能够改善主喷嘴附近油剂匹配程度,提高气固接触效率。同时副喷嘴的加入可以将提升管进料段长度缩短1/3,减少油剂混合时间,加快气固相达到均匀稳定,实现抑制油气过度裂解,提高目标产品收率,降低生焦量的目的。