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。     

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。     

考虑颗粒旋转的颗粒动力学模拟提升管气固两相流动特性

流化床内颗粒旋转会影响颗粒相的流动特性,目前在流化床数值模拟中普遍采用的颗粒动力学模型却没有考虑颗粒的旋转效应。今运用基于颗粒动力学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,提出了考虑颗粒旋转效应的颗粒动力学模型以及颗粒相守恒方程,数值模拟提升管内气体颗粒两相流动特性。计算结果表明提升管内中心区域为低浓度-高速的颗粒上升流动、壁面区域为高浓度-低速的颗粒下降流动。分析了颗粒粗糙度系数对颗粒相能量耗散、颗粒平动温度和黏度的影响。随着颗粒粗糙度系数的增加,颗粒碰撞能量耗散先逐渐增加后减小。颗粒平动温度和黏度的变化趋势是相反的,表明颗粒旋转产生摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响提升管内气体-颗粒两相宏观流动特性。     

大涡模拟方法模拟鼓泡床内气固两相流动

采用大涡模拟（LES）方法模拟气相湍流,颗粒动理学方法考虑颗粒相碰撞产生的动量和能量传递和耗散,采用颗粒相大涡模拟方法（LESp）模拟颗粒脉动导致的能量耗散,同时考虑介观尺度对颗粒相压力的影响,建立了气体-颗粒LES-θ-LESp双流体模型,研究鼓泡流化床内气固两相流动的特性。数值模拟与文献实测颗粒速度和实测颗粒浓度结果具有相同的变化趋势。     

湿颗粒倾斜碰撞恢复系数的直接数值模拟

通过耦合VOF(volume of fluid)和重叠网格的方法，对表面附着液滴的“颗粒-颗粒”倾斜碰撞进行了直接数值模拟，获得了碰撞过程中液桥演变、颗粒运动、碰撞恢复系数的变化规律。在不同碰撞角度条件下，法向碰撞是液体对碰撞恢复系数影响最显著的情况。随着液体黏度的增加，法向恢复系数和总恢复系数降低，而切向恢复系数略微增加。随着碰撞速度的增加，法向恢复系数和总恢复系数增加，而切向恢复系数降低。在倾斜碰撞中，颗粒的旋转对于颗粒分离具有促进作用，液桥可对颗粒产生剪切作用使得部分切向动能转化为法向动能。研究结果可以为发展湿颗粒碰撞简化模型提供基础数据。     

喷动流化床内宽筛分颗粒流动特性的研究

建立了喷动流化床气化炉,通过数值模拟方法分析了宽筛分颗粒时喷动流化床的流动特性.数值模拟中采用非稳态欧拉-欧拉多相流模型和双方程湍流模型,采用用户自定义函数(UDF)编程,编写出宽筛分颗粒模型.结果表明,不同粒径颗粒在密相区出现分层,喷动流化床内的流体动力学受颗粒尺寸分布以及颗粒间能量耗散和传递的影响.     

粗糙颗粒碰撞参数对鼓泡流化床内气固流动模拟的影响

结合粗糙颗粒动力学理论和双流体方法,数值模拟了碰撞参数对鼓泡流化床内稠密气固两相流动特性的影响. 结果表明,增大摩擦系数或减小法向弹性恢复系数会使床内颗粒分布更为不均,并增强床层膨胀及压力降脉动. 合理选取摩擦系数模拟得到时均气固流场分布,与实验吻合,罂粟籽颗粒的摩擦系数取0.3~0.6较合适. 法向弹性恢复系数改变不影响时均气固流场分布的基本形态,其取值敏感性不如摩擦系数;切向弹性恢复系数对鼓泡流化床动态特性及时均气固流场的影响相对较弱.     

循环流化床多组分颗粒气固两相流动模型和数值模拟

基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学,考虑多组分颗粒中颗粒组分与颗粒组分、颗粒组分内颗粒之间的相互作用以及气体与颗粒之间的相互作用,提出多组分颗粒非等温颗粒气固两相流动模型.以颗粒压力、径向分布函数、黏度、颗粒碰撞耗散等耦合各颗粒组分间和颗粒间的相间作用.采用大涡模拟方法模拟气相湍流流动.提出了多组分颗粒的径向分布函数计算方法.对循环流化床上升管中双组分颗粒气固两相流动特性进行了数值模拟,模拟结果揭示了上升管中双组分颗粒气固两相流动的环-核流动结构,得到了平均颗粒粒径的轴向和径向分布规律,计算结果与文献中实验结果相吻合.     

基于直接矩积分方法的超细颗粒流态化特性研究

采用欧拉-欧拉气固双流体模型,基于颗粒动理学理论,利用直接矩积分方法求解颗粒数平衡方程,建立颗粒数量与连续性方程、动量方程之间的关系,数值模拟流化床内不同初始粒径的超细颗粒运动、聚并的动态过程,给出了聚团在流动过程中浓度和速度的分布情况,展示了床内各阶矩的变化情况,比较了不同初始粒径对聚团浓度分布影响。研究表明,同一粒径颗粒,随着床层高度的增加,颗粒浓度达到平衡状态需要的时间减短;不同粒径颗粒,随着初始粒径的增加,颗粒浓度减小的速率随着床层高度上升加快,颗粒聚团尺寸达到稳定状态的时间减少,床内颗粒速度逐渐减小,聚团向床层底部聚集的速度增加,床层底部颗粒浓度和颗粒粒径逐渐增加。     

考虑颗粒旋转的流化床流动和气化反应模拟

摒弃传统颗粒动力学模型中颗粒绝对光滑的假设,以粗糙颗粒为研究对象,同时考虑颗粒碰撞过程中的对心和切向分力建立了粗糙颗粒动力学模型,采用近似求解给出了相关本构关系式。结合粉煤气化反应模型模拟研究了鼓泡流化床内粉煤颗粒的流动-反应过程,获得了床内粗糙颗粒时均速度和浓度的径向分布。与光滑颗粒的计算结果相比,粗糙颗粒的脉动能量增大,床内不均匀特性进一步增强。同时得到的各气体组分的浓度分布与他人的实验结果相吻合。     

基于DEM模拟气固鼓泡床中颗粒碰撞参数对流场间歇性的影响

采用计算流体力学和离散元(CFD-DEM)方法研究鼓泡床内的气固流动状态, 考察了颗粒弹性系数和恢复系数对流场间歇性的影响, 并利用小波变化分析方法分析了颗粒弹性系数和恢复系数对流场相干结构的影响。研究结果表明:颗粒弹性系数和恢复系数对颗粒速度脉动能、床层平均高度、平坦因子以及流场间歇性有一定影响。随着颗粒弹性系数取值的变大, 高频区能量和平坦因子先降低后增加, 床层高度先增加后降低, 流场间歇性先减弱后增强;颗粒恢复系数取值越大, 高频区能量和平坦因子越低, 床层高度越大, 流场间歇性越弱。     

A bubbling fluidization model using kinetic theory of rough spheres

Collisional motion of inelastic rough spheres is analyzed on the basis of the kinetic theory for flow of dense, slightly inelastic, slightly rough sphere with the consideration of gas–solid interactions. The fluctuation kinetic energy of particles is introduced to characterize the random motion of particles as a measure of the translational and rotational velocities fluctuations. The kinetic energy transport equation is proposed with the consideration of the redistribution of particle kinetic energy between the rotational and translational modes and kinetic energy dissipation by collisions. The solid pressure and viscosity are obtained in terms of the particle roughness and restitution coefficient. The partition of the random‐motion kinetic energy of inelastic rough particles between rotational and translational modes is shown to be strongly affected by the particle restitution coefficient and roughness. Hydrodynamics of gas–solid bubbling fluidized beds are numerically simulated on the basis of the kinetic theory for flow of rough spheres. Computed profiles of particles are in agreement with the experimental measurements in a bubbling fluidized bed. The effect of roughness on the distribution of energy dissipation, kinetic energy, and viscosity of particles is analyzed. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

Hydrodynamics of gas-solid flow around immersed tubes in bubbling fluidized beds

A numerical study was conducted based on the gas-solid two-fluid model using the body-fitted coordinate system to analyze the behavior of particles and bubbles flow in bubbling fluidized beds without and with immersed tubes. The kinetic theory of granular flow was implemented in the model. The images of simulated instantaneous particle concentration and velocity gave the process of the formation, coalescence and eruption of bubbles. The effects of the tube pitch and superficial gas velocity on the fluidization in a bubbling fluidized bed were investigated. Calculated bubble frequencies without and with immersed tubes were in agreement with previous experimental and simulation findings. The wavelet multi-resolution analysis was used to analyze the simulated data of instantaneous particle concentration. From the random-like particle concentration fluctuations, the fluctuating components due to particle flow and bubble motion can be extracted based on the wavelet multi-resolution analysis over a time-frequency plane.     

Hydrodynamic modelling of binary mixture in a gas bubbling fluidized bed using the kinetic theory of granular flow

A multi-fluid Eularian CFD model with closure relationships according to the kinetic theory of granular flow has been applied to study the motions of particles in the gas bubbling fluidized bed with the binary mixtures. The mutual interactions between the gas and particles and the collisions among particles were taken into account. Simulated results shown that the hydrodynamics of gas bubbling fluidized bed related with the distribution of particle sizes and the amount of energy dissipated in particle-particle interaction. In order to obtain realistic bed dynamics from fundamental hydrodynamic models, it is important to correctly take the effect of particle size distribution and energy dissipation due to non-ideal particle-particle interactions into account.     

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。