曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响

引言鼓泡塔由于其良好的传热、传质特性而被广泛用于化工、生物制药、冶金等领域.近年来,计算流体力学(CFD)越来越多地被应用于研究鼓泡塔内部复杂的流体力学状态.然而,如何合理地描述气液相间作用及湍流模型是CFD模拟能够准确复现鼓泡塔内复杂流动状态的关键和难点.     

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...     

采用改进的曳力模型模拟2D鼓泡流化床的流化特性

针对特定颗粒浓度范围颗粒团聚作用导致的曳力下降问题,基于传统曳力模型在不同颗粒浓度段的特性分析,选择适用于不同颗粒浓度区间的曳力模型,通过光滑函数得到改进的曳力模型,并耦合欧拉双流体模型对2D鼓泡流化床进行数值模拟. 结果表明,与Gidaspow和Syamlal-O'Brien模型相比,改进的曳力模型对床层局部压降的预测结果更好;随表观气速增加,改进的曳力模型能更准确地预测床层膨胀;当表观气速Ug=0.46 m/s时,改进的曳力模型对径向颗粒浓度分布的模拟结果明显好于Syamlal-O'Brien模型.     

不同固相黏度模型对鼓泡床气泡行为的数值模拟

基于双流体模型,应用Fluent软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气泡行为进行数值模拟。采用常固相黏度模型(CPV)和基于颗粒动理学的固相黏度模型(KTGF),通过计算气泡的形成、气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度对不同模型进行比较研究,其中编程实现了KTGF模型中的Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型模块。通过与文献中的实验数据进行对比发现KTGF模型普遍优于CPV模型,其中Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型的模拟值最接近实验数据。     

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。     

B类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对鼓泡流化床中气-固两相流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,采用结构曳力模型能够较好地预测B类颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。对比初始流态化颗粒浓度图和完全流态化颗粒浓度分布图,可以发现结构曳力模型能够较好地展现鼓泡流化床中气泡的运动特性。当比较不同曳力模型下的模拟结果时,结构曳力模型比传统曳力模型能够更好地预测颗粒的径向分布。     

拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。     

双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响

应用双流体模型CFD模拟的方法,从恢复系数和曳力两方面,研究了气固密相流化床中颗粒之间和气固相之间的相互作用对床内非均匀流动结构形成与变化的影响.计算结果表明颗粒间非弹性碰撞和气固间曳力的增大均使气固两相流动的非均匀性增大.通过比较二者对非均匀流动结构的影响,发现气固间曳力是形成非均匀流动结构的决定因素.从碰撞耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了二者的作用机理,发现恢复系数和曳力对流动结构的作用主要区别在于对颗粒团聚和床层膨胀的影响程度不同.     

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。     

气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产,而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中,它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响,是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型;本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟,在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体,同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明,结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性,同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用,对模拟结果影响显著。     

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.     

快速流化床内气固两相流动态压力的实验研究

对快速流化床内轴向动态压力进行了测量,分别通过标准偏差、功率谱以及多尺度小波分析研究了流化床内的动态特性。研究结果表明:压力脉动的强度沿轴向由下至上逐渐衰减,且在循环速率较高时,底部压力脉动标准偏差与顶部之间存在着明显的转折;压力信号的主频随着颗粒质量流率的增加,其所对应的峰值(即脉动强度)有所增加,而主频的频率逐渐降低。通过压力脉动的小波多尺度分析表明:流化床内压力脉动中,小尺度信号主要体现在由于气体与颗粒的湍动、颗粒碰撞、颗粒团聚物的形成与破裂等高频部分的信号;中尺度信号主要捕获来自于不稳定进料所引起的较大的压力脉动;大尺度信号与床层的宏观稳定性相关。研究结果表明,通过对动态信号的微观分析可以深入认识气固两相流的瞬态参数特性以及气固间的相互作用机制。     

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。     

多级循环流态化焙烧炉的两相流模拟

利用湍流模型和颗粒轨道模型对多级循环流态化焙烧装置预热段内部的流场、温度场和颗粒停留时间参数进行了数值模拟。结果表明:烟气流在旋风筒内呈现近壁流和中心流两个区域,近壁流区域的较高温度有利于菱铁矿粒物的预热升温;平齐式料管入口处存在的狭长涡旋迟滞颗粒流的下滑并可能诱发料管的堵塞,改进后的插入式料管则完全消除了上述缺陷和隐患;颗粒在高温区域的滞留时间约5s。     

快速流化床一维轴向稳态流动模型

本文对稳态操作的快速流化床气固两相流动进行了分析,表明颗粒在床内的加速运动对床层各项参数有显著影响。考虑了颗粒加速作用以及由于颗粒聚集使气固两相相互作用力减小的事实后,可采用一维轴向稳态流动模型获得截面平均颗粒速度、空隙率以及曳力系数等参数及其轴向分布规律。模型预测与实验直接测定结果吻合很好。     

Numerical Simulation of the Hydrodynamics of Gas/Solid Two‐Phase Flow in a Circulating Fluidized Bed with Different Inlet Configurations

The gas/solid flow characteristics in a circulating fluidized bed with two different inlet configurations were investigated by numerical simulation based on an Eulerian approach. In order to describe the interaction between the gas phase and the solid phase and the influence of the solid phase on the gas turbulence, a source term formulation with a more reasonable physical meaning was introduced. The simulation results were validated by the experimental data; then, the model was employed to examine the effect of the inlet configuration on the gas and solid feeding. The simulation results showed that, using the side feeding system, the distributions of solid flow and concentration were highly variable both over the column cross‐section and along the column height. However, such variations can be improved by using the elbow inlet system where the gas and solid are fed from the bottom.     

空气钻井环空气固两相流动数值模拟

气体钻井是以空气、天然气等作为介质携带岩屑的钻井技术,因其机械钻速快,成本低,对储层伤害小,杜绝井漏等特点备受人们关注.基于流体的动力学原理,采用CFD软件,对垂直和倾斜井筒环空气固两相流动进行三维数值模拟研究.模拟发现,对于垂直井筒,空气和岩屑的流速、浓度沿轴向呈对称性分布,最大流速,最大浓度都位于环空的中心区域,越...     

The Voidage Function for the Drag Force Ratio in a Liquid‐Fluidized Bed

Di Felice (1994) has shown that the ratio of the drag coefficient, C_D, on a sphere in a liquid‐fluidized bed of uniform spheres to the drag coefficient, C_DS, on the same sphere in isolation and subjected to the same superficial liquid velocity, u, is given by a function ?^?β, where β was expressed as an empirical function of the particle Reynolds number, Re = duρ/µ. Here it is shown that C_D/C_DS is well approximated by ?^?mm, where the Richardson‐Zaki index n is a function of the terminal free‐settling Reynolds number, Re_t = du_tρ/µ, and m is 2 plus the slope of the standard log C_DS vs. log Re plot at plot at Re = Re_t. The present model, using the best experimentally confirmed equation for n and a new simple equation for and a new simple equation for m, is compared with that of Di Felice in their respective abilities to predict liquid‐fluidized bed expansion.     

用落球法研究气固浓相流化床表观粘度

用落球法对不同参数条件下的气固浓相流化床床层表观粘度进行测量和线性拟合,得到了流化床的床层屈服应力和塑性粘度与各因素的关系;研究了粘度对分选时间的影响,建立了振动流化床分选时间与表观粘度和物料密度之间的数学模型. 结果表明,在同一气速下,随石英砂颗粒粒级及床层高度增大,床层表观粘度整体增大. 在一定的流化气速范围内,石英砂介质粒级为0.25~0.125 mm、床高190 mm时,床层粘度稳定在0.39~0.51 Pa×s. 加入振动后,床层粘度明显下降,频率15 Hz、振幅1 mm时流化效果较好,床层粘度稳定在0.69~0.95 Pa×s.