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.     

锥形分布板射流流化床CFD模拟及参数分析

采用双流体模型结合颗粒动力学理论,对锥形分布板射流流化床内气固流动行为进行了三维的计算流体力学(CFD)模拟研究,系统分析了曳力模型、恢复系数和颗粒间摩擦力对射流流化床膨胀高度和气泡动力学行为的影响.结果表明,Syamlal-O'Brien和Gidaspow曳力模型低估了床内实际曳力,从而导致模拟膨胀高度低于实验值,而Modified Syamlal-O'Brien曳力模型能更好地预测床内实际曳力,计算结果与实验值吻合得较好;恢复系数对于射流流化床内气泡动力学行为有着重要影响,气泡的大小、上升速率和产生频率均随着恢复系数的增加而减小;颗粒间的摩擦力也是影响床层膨胀高度和床内气泡产生的重要因素.     

有机硅单体合成的气固流化床的三维数值模拟

为了探索有机硅单体合成气固流化床内硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用双欧拉气固两相流模型及SIMPLE算法,模拟了三维的气固流化床内硅粉颗粒的流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,及不同床层高度的固体颗粒运动速度矢量图,不同床层高度处横截面颗粒体积分数变化。结果表明:三维模拟能直观的表现颗粒在流化床中的流化状态,为工业生产及应用提供了有效的依据。     

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。     

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。     

气固搅拌流化床内压力脉动特性的数值模拟

在传统气固流化床中引入搅拌桨,可减轻聚合物颗粒的黏附并强化流态化过程。采用计算流体力学(CFD)方法对搅拌流化床内的压力脉动特性进行数值模拟,考察流态化过程中的气泡行为。模拟过程采用多重参考坐标系方法解决搅拌桨区域的运动问题,由欧拉双流体模型和颗粒动力学方法模拟气固两相流。床层压力脉动的统计分析和功率谱分析表明,随着搅拌桨转速的增加,流化床内的压力脉动标准偏差和功率谱幅值变小,床层内的平均气泡尺寸减小,床层可由鼓泡流态化向散式流态化转变。     

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。     

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。     

细颗粒流化床的特性

在二维流化床内,进行了粗颗粒和细颗粒的流化实验,测定了气泡尺寸和气泡数。观察了细颗粒床内的湍动状态。在φ100与φ280流化床内,进行了气体两相分配实验。细颗粒流化床浓相空隙率大干初始流化床的空隙率。并对细颗粒流化床的规模放大问题进行了初步探讨。     

梯度磁场下气固流化床中磁颗粒运动数值模拟

在外加竖直方向梯度磁场的气固鼓泡流化床中,考虑铁磁颗粒受到的梯度磁场力和颗粒间磁感应力,对气相采用流体力学方法(CFD),颗粒相采用离散元法(DEM),建立二维磁鼓泡流化床数学模型,模拟不同磁场强度下全磁颗粒圆形床料的气固流动过程,分析了不同磁场强度对磁流化床中气泡生长、颗粒运动、床层压降和磁颗粒受力的影响。研究结果表明在沿高度磁感应强度递减的梯度磁场中,磁颗粒在颗粒间磁感应力的作用下凝聚成链,破坏了大气泡的形成。随着磁场强度增加,颗粒扩散系数减小,颗粒间磁感应力和梯度磁场力增大;气体与颗粒相间作用力先减小、后增加;而颗粒接触力先增加、后减小。