鼓泡流化床中气泡行为的模拟

应用气体拟颗粒模型模拟了单孔、双孔分布板流化床的鼓泡现象,动态地显示了气泡生成、上升、长大以及破裂的全过程,结果与已知的实验观测基本一致.     

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。     

鼓泡流化床风室及分布板区域流动特性的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)软件对采用切向进风和垂直进风情况下不同开孔率气体分布 板的鼓泡流化床流态化特性进行研究,模拟风室及分布板区域的气体流动轨迹及其速度分布变化.结果表明:气体在切向进风形式下接近层流运动的上升状态,与垂直进风形式所产生的无序湍流上升状态相比,垂直进风形式下气体速度在空间分布更加均匀,受边界条件影响所导致的风室内局部风速过高情况较少;分布板开孔率在0.15％～1.0％变化时,随开孔率增大,气体压降逐渐减小,气体均匀性逐渐稳定;气体分布板开孔率为0.5％时,气体分布均匀性和分布板压降较合理.     

分区曳力模型的2D鼓泡流化床流动特性模拟

曳力对两相流动特性具有很大影响,由于颗粒团聚的影响,传统曳力模型不能准确预测气固间曳力.为了提高两相流动特性的模拟精度,文中综合考虑不同曳力模型在特定浓度的曳力系数特性,分区确定曳力模型,并在模型断点处使用光滑函数,基于CFD开源平台OpenFOAM耦合TFM模型对2D鼓泡流化床进行流动特性模拟.结果表明:分区曳力模型...     

鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟

将应用欧拉双流体模型对鼓泡气化炉内的气化过程进行研究。摒弃传统颗粒动理学理论中颗粒光滑无旋转的假设,引入颗粒的旋转运动,构建粗糙颗粒动理学理论来封闭双流体模型。基于燃烧理论建立粉煤热解、气化模型以及鼓泡床内气固之间以及气体和气体之间的传热、传质模型。采用该模型进行数值模拟计算,分析床内的气固反应过程,对比实验结果表明粗糙颗粒动理学理论适用于模拟鼓泡床气化炉内的反应。     

脉冲鼓泡流化床压力波动特性的模拟

在分析脉冲气流作用下均匀鼓泡流化床的波动结构和波动机理的基础上,建立了反映其压力波动特性的二维离散单元模型。根据脉冲鼓泡流化床的特点,提出了模型离散单元的划分方法,确定了系统的模型参数。采用直接数值积分的方法,对床层的压力波动进行了模拟研究,计算与实验结果基本上一致。     

不同曳力模型对鼓泡床内气固两相流的模拟研究

基于双流体模型,应用Fluent商业软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气固两相流进行模拟研究。采用三种基于不同机理的曳力模型;半经验的Gidaspow模型、由格子波尔兹曼方法导出的Koch-Hill模型与修正的半经验的McKeen模型,通过模拟气泡的形成、上升及破裂过程,气泡形状和颗粒运动特征,计算气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度,对不同曳力模型进行比较研究,其中编程实现了Koch-Hill和McKeen曳力模型模块。通过与文献中的实验结果进行对比发现,Gidaspow模型对气泡形状的模拟效果较好,与实验数据的误差介于其他两种模型之间;Koch-Hill模型捕捉到的气泡特征最逼真,且床层膨胀效果明显,但定量计算的误差最大;而McKeen模型与实验数据的误差最小,但对气泡形状的模拟效果较差。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。     

稠密气固两相流动的颗粒二阶矩方法及鼓泡床流化特性的模拟

采用颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型。应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭。考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型。数值模拟鼓泡流化床内气固两相流动特性,模拟结果表明鼓泡流化床内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性。预测颗粒速度与Muller等和Yuu等实测结果相吻合。预测颗粒脉动速度二阶矩与Muller等实验结果变化趋势相同。统计得到的固相雷诺应力型二阶矩与Muller等实测颗粒脉动速度二阶矩和Yuu等实测颗粒脉动速度相吻合。     

双组分颗粒鼓泡流化床内气泡形状参数

在二维双组分鼓泡床实验装置上,采用高速摄像技术,对床内气泡的形状特性进行了研究,考察了不同形状气泡在床内的轴径向分布,探索了颗粒组成和操作气速对气泡形状的影响。结果表明:不同形状的气泡在鼓泡床内呈正态分布,球形度较好的气泡主要分布于床层底部和壁面附近,而细长的气泡则主要集中于床层中心区域。随着气体速率的增加,气泡的球形度和宽纵比降低,气泡形状趋于细长和不规则;随着重组分增加,气泡的球形度增大而宽纵比减小。双组分颗粒鼓泡流化床内气泡球形度的概率密度较单组分的分布更宽,而宽纵比的概率密度分布与添加的颗粒密度有关。     

循环流化床中颗粒聚团特性的模拟

考虑到循环流化床中分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确定了密相和稀相加速度与计算网格局部参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,基于双变量极值理论,构建了考虑颗粒团聚效应的多尺度气固相间曳力模型。结合双流体模型,对循环流化床内气固流动特性以及颗粒聚团特性进行了模拟研究。通过与实验值比较,考虑颗粒聚团影响的计算模型可以更好地贴近实验结果,颗粒聚团直径随颗粒浓度增大呈现先增大后减小的分布趋势,气体和颗粒的加速度在模拟中与重力加速度同处一个数量级,求解过程中不能被忽略。     

鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。     

循环流化床中颗粒聚团特性的模拟

考虑到循环流化床中分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确定了密相和稀相加速度与计算网格局部参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,基于双变量极值理论,构建了考虑颗粒团聚效应的多尺度气固相间曳力模型。结合双流体模型,对循环流化床内气固流动特性以及颗粒聚团特性进行了模拟研究。通过与实验值比较,考虑颗粒聚团影响的计算模型可以更好地贴近实验结果,颗粒聚团直径随颗粒浓度增大呈现先增大后减小的分布趋势,气体和颗粒的加速度在模拟中与重力加速度同处一个数量级,求解过程中不能被忽略。     

振动流化床中气泡和颗粒运动特性的数值模拟

基于欧拉模型,应用计算流体力学软件Fluent,数值模拟了二维振动流化床的颗粒运动特性,考察了振动流化床内气泡和颗粒速度的分布规律。模拟结果发现:由于振动的作用,床底部与布分板之间会形成间隙,促进了大气泡的形成;随着振动频率、强度的增加,颗粒运动速度增大,流化床内大气泡的形成减少。     

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.     

塔式鼓泡流化床内的涌渗流动特性

为强化气固接触,提出了一种新型塔式鼓泡循环床反应器,采用多个带有风帽的中间分布板、沿床层高度方向将反应器分隔成若干腔室,流化过程中形成一种特殊的涌渗（gushing）现象;依据连续拍照所得图像,基于快速傅里叶变换和小波包变换的方法,对床内压力脉动信号进行分析,研究涌渗产生和消亡条件,频率和能量大小,以期掌握涌渗的形成规律。结果表明,此反应器内流化数为3.47时涌渗产生明显,周期性寿命为1~2 s,频率分布于0.1~0.5 Hz区域;保持流化风速不变,改变反应器结构,加入一层中间分布板构成双腔室、调整下腔室高径比为3：1以及适当增大风帽开孔率时,涌渗主频明显,能量适中,涌渗效果得到优化。因此,塔式鼓泡流化床内的涌渗流动特性取决于流化风速以及塔式鼓泡床的几何结构。     

A类颗粒流化床特性的DEM-CFD模拟

采用离散元方法-计算流体力学(DEM-CFD)对耦合边界下A类颗粒流化床特性进行模拟。讨论了在床底的表观速度取决于流场情况下,不同进口流速时该类颗粒的流化状态。分析了流动与颗粒运动的相互作用,及其对最小流化速度和最小气泡速度的影响。发现与均匀床底的表观速度相比,当床底的流动速度取决于流动与颗粒运动耦合时,床体的稳定性变差,床底的速度分布呈现不均匀,局部更早出现气泡,并沿着该位置的轴向向床顶面发展,形成沟流,而此时其它部位会产生死区。     

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.