粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

基于气体分子动理学和颗粒动理学理论,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,建立粗糙颗粒动理学。采用Chapman-Enskog颗粒速度分布函数,提出了颗粒相应力、热通量和颗粒碰撞能量耗散计算模型。采用欧拉-欧拉气固双相流模型,数值模拟鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性。模拟结果得到了床内颗粒相速度和脉动速度分布,与Yuu等实验结果相吻合。分析不同的切向弹性恢复系数对颗粒相拟总温的变化规律,结果表明在低颗粒浓度时颗粒拟总温随切向弹性恢复系数而增加。     

碰撞恢复系数对单纤维颗粒捕集特性的影响

利用CFD-DEM耦合方法对单纤维过滤介质进行了气-固两相流的数值模拟,研究了颗粒和纤维体间碰撞恢复系数的变化对颗粒在单纤维体上的沉积及捕集特性的影响。结果表明,颗粒的粒径较小时,纤维体捕集颗粒数量较少,且颗粒较为发散,而当颗粒的粒径较大时,颗粒被纤维体捕集的数量明显增加。颗粒的捕集数量随颗粒与纤维体间的恢复系数呈先增加后减少,然后达到平稳状态的趋势,颗粒与纤维体间的恢复系数超过0.3时,颗粒的捕集效率趋向于一个稳定值。     

埋管流化床内湿颗粒流动及混合特性的CFD-DEM数值模拟

掺液滴的气固流化床,越来越多地应用于颗粒材料合成和改性工程,但是液滴使颗粒具有一定的湿度。湿颗粒具有黏性,与干燥颗粒流化特性有很大差异。本文应用迟滞碰撞模型,分别在颗粒碰撞的加载和卸载阶段考虑液体黏弹阻力(lubrication force)和液桥力引起的动能耗损,建立湿颗粒流化床CFD-DEM模型。对含有埋管的湿颗粒流化床进行数值模拟研究,比较了不同黏性条件下颗粒的流动及混合特性。发现随着颗粒黏性的增大,颗粒聚团加剧,气泡边界变得粗糙并逐渐转变为气体沟流,最终导致流化失效,埋管在床中起骨架作用,促进了沟流的形成。随着颗粒黏性的增大,颗粒的相对运动被阻碍,颗粒速度降低,床层压降逐渐减小,颗粒混合速度减慢。     

搅拌中的碰撞作用及设计放大原则

通过固体颗粒和水的混合物在搅拌器中进行搅拌使固体颗粒粉碎至一定粒度的试验，研究了各种搅拌参数如液固比、搅拌桨叶端速度、桨叶直径、转速、层数、宽度、时间、液深对颗粒粉碎效果的影响。提出在搅拌过程中，除了循环流动及剪切外，其碰撞作用在某些过程中占了重要地位。分析指出在搅拌粉碎中存在极限粒径，给出了极限粒径和叶端线速度的关系式，解释了随着搅拌时间的增加，粉碎效率逐渐降低及在一定范围内固体含量增加使粉碎效率提高的现象。结合循环流动、剪切及碰撞原理，对减小液深，增加直径、转速及桨叶层数可减少搅拌时间进行了分析，并得出桨叶宽度对颗粒粉碎效果影响甚微的结论。提出了设备放大原则和放大后搅拌时间的近似计算公式。新设计的搅拌器用于生产实践后与原有装置相比提高了效率，降低了能耗。     

板上充气状态下立体传质塔板液体提升量研究

以空气-水为实验物系,在直径为600 mm的实验塔内,通过向板上液层中充气来模拟板上的泡沫状态,测定了立体传质塔板CTST液体提升量的变化情况。考察了不同操作条件下板上气体体积分数对液体提升量的影响,并由实验数据拟合出板孔动能因子、板上液层气体体积分数、板上清液层高度对相对液体提升量影响的关联式。结果表明:相对液体提升量随着板上液层中气体体积分数的增加而降低;气体体积分数相同时,相对液体提升量随着板上清液层高度的增大而增加、随板孔动能因子的增大而减少。     

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.     

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。     

飞灰颗粒与平板表面撞击过程的实验研究

以煤粉锅炉积灰过程为研究背景,在常温常压环境下对飞灰颗粒与平板表面撞击过程进行实验研究,分析飞灰颗粒入射法向速度对颗粒法向反弹速度的影响,以及飞灰颗粒粒径对临界捕集速度的影响。实验结果表明,飞灰颗粒粒径相同时,法向恢复系数随入射法向速度的增大先增大后平缓最后减小,在增大区域具有相当陡的斜率,反映了不同形式的力在不同阶段所占的比重不同;颗粒入射法向速度相同时,法向恢复系数随着颗粒粒径的增大而增大;而临界捕集速度随颗粒粒径的增大而减小。     

稀疏两相射流中颗粒碰撞的数值研究

为了研究稀疏气固两相流动中颗粒间的碰撞行为及其对颗粒扩散的影响,对三维两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场控制方程的求解采用有限容积法和分步投影算法,对颗粒的跟踪采用拉格朗日方法,对颗粒间的碰撞采用硬球模型模拟。结果发现,在流场中局部浓度较高的区域颗粒碰撞频繁发生;受局部富集效应和湍流输运作用两方面的影响,颗粒的平均碰撞次数并不是随着Stokes数的增加呈现简单的线性增加,而是在Stokes数为0.1附近存在一个极值;考虑颗粒间的碰撞作用以后,颗粒的分布更加均匀,沿横向和展向的扩散也都有所增加。     

钢液中Al2O3夹杂物碰撞生长的动力学模型

基于群体平衡模型,在奥斯特瓦尔德熟化的基础上,考虑布朗碰撞对分子扩散长大的影响,建立了钢液中Al2O3夹杂物碰撞生长的动力学模型,包括分子扩散长大以及由于布朗、斯托克斯和湍流碰撞引起的夹杂物聚集、生长,采用颗粒尺寸分组法对夹杂物的聚集生长进行了模拟. 结果表明,湍动能耗散率从0.1 m2/s3增加到10 m2/s3时,对临界尺寸以下粒径的分子微粒的数量密度影响较小,但对临界尺寸以上大粒径夹杂物分子微粒的数量密度影响较大. 碰撞过程中,夹杂物最大数量密度对应的极值直径约为0.2 μm.     

Geldart-D类湿颗粒倾斜落料行为及其强化

针对湿颗粒流动性较差、倾斜落料困难的问题，建立了机械振动耦合辅助流化风的可视化倾斜落料实验装置，研究了液体饱和度S、表面张力σ和倾斜角度δ对三种Geldart-D类湿颗粒(塑料珠、玻璃珠、氧化锆珠)倾斜落料量的影响，并对机械振动、辅助流化风和振动耦合辅助流化风三种助流落料方法进行了实验比较。研究结果表明，受液桥力影响，湿颗粒落料过程的质量流量q_m较干颗粒降低60%以上。随振动强度Γ和辅助流化风气速u_f的增加，湿颗粒质量流量qm增加，其中振动强度Γ对重质类颗粒(玻璃珠、氧化锆珠)的强化效果较佳，辅助流化风气速u_f对轻质类颗粒(塑料珠)的强化效果较佳。相同能耗条件下，振动耦合辅助流化风具有更高的质量流量q_m，是相对节能的助流落料方法。     

不同曳力模型及颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内气固流场的影响

为考察曳力模型和颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内流动特性的影响,基于双流体模型,结合颗粒动力学理论,对反应器内气固两相流场进行模拟研究。分别采用Gidaspow、WenYu和Syamlal-O’Brien 3种曳力模型,考察颗粒速度特性以及固含率径向分布。对比分析不同曳力模型的计算结果表明,Syamlal-O’Brien模型计算结果与实验结果误差较大,WenYu模型在反应器边壁附近区域的计算结果误差较大,Gidaspow模型计算结果与实验结果最为吻合。此外,颗粒碰撞恢复系数较小时,所得计算值小于实验测量值,当恢复系数为0.95时颗粒扩散效果最好,计算结果与实验数据吻合度最高。     

不同曳力模型及颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内气固流场的影响

为考察曳力模型和颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内流动特性的影响,基于双流体模型, 结合颗粒动力学理论,对反应器内气固两相流场进行模拟研究。分别采用Gidaspow、Wen & Yu和Syamlal-O’Brien 3种曳力模型, 考察颗粒速度特性以及固含率径向分布。对比分析不同曳力模型的计算结果表明,Syamlal-O’Brien模型计算结果与实验结果误差较大,Wen & Yu模型在反应器边壁附近区域的计算结果误差较大,Gidaspow模型计算结果与实验结果最为吻合。此外,颗粒碰撞恢复系数较小时,所得计算值小于实验测量值,当恢复系数为0.95时颗粒扩散效果最好,计算结果与实验数据吻合度最高。     

喷动-载流床中粒径对内蒙霍林河褐煤快速热解产物的影响

在喷动–载流床内对霍林河褐煤进行了快速热解，考察了0.125~0.28 mm范围内煤粉颗粒粒径对煤热解总失重、热解产物产率以及气体和液体产物具体组成的影响. 气体和液体产物的组成分别利用气相色谱和色质联用仪分析. 实验表明, 随颗粒粒径增大，煤中挥发份脱出率略有降低，半焦产率略有升高，气体总产率增大，CH4，无机气体，C2H6，C3H8等呈现上升趋势. 而随颗粒粒径增大，液体产率降低，其中沥青质的降低较为显著. 正己烷可溶物产率随颗粒粒径增加有少许降低. 热解水产率随着颗粒粒径的增大而增加. 颗粒粒径对正己烷可溶物中的各类组份的含量也有一定的影响.     

流化床中动态行为硬球模拟与软球模拟的比较

用硬球方法和软球方法分别模拟了不等粒径流化床中的动态行为;比较了颗粒平均速度、运动轨迹的差异;研究了恢复系数对流化床中动态行为、颗粒平均速度的影响.研究结果表明：对流化床中动态行为进行模拟的数值结果强烈地依赖于恢复系数,恢复系数较小时,硬球方法可以模拟出鼓泡现象,恢复系数较大时,软球方法可以模拟出鼓泡现象;并且恢复系数越大时,硬球方法中颗粒平均速度随时间的变化越大,而软球方法中颗粒平均速度随时间的变化越小;尽管硬球方法比软球方法更加准确地考虑了颗粒碰撞,但由于硬球方法和软球方法处理颗粒碰撞方式的不同,以及颗粒碰撞时间步长选取原则的差异,使得硬球模拟需要的计算时间远大于软球模拟需要的计算时间.     

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.     

液-固下行循环流化床中的颗粒碰撞行为

设计并构建了一套冷模液-固下行循环流化床蒸发器,考察了颗粒对壁面的碰撞行为随轴向位置和操作参数的变化规律,以便更好地揭示循环流化床强化传热和防、除垢的机理。实验中,选用水和不同粒径的聚甲醛颗粒和玻璃珠作为工质,对不同颗粒加入量(0~2.0%)和循环流量(2.15~5.16 m³·h^-1)下的碰撞加速度信号进行了功率谱密度、峰度和标准偏差等频域和时域分析。研究结果表明:液相和固相碰撞加速度信号的频率范围分别为0~2 000 Hz和6 000~16 000 Hz。沿着下行床的轴向位置从上到下,颗粒对壁面碰撞加速度信号的标准偏差先减小,后增大;峰度增大。随着颗粒加入量和循环流量的增加,标准偏差增大,峰度减小。颗粒加入量较低时,标准偏差随着聚甲醛颗粒粒径的增加先减小、后增大;而峰度随着粒径的增加明显增大。颗粒加入量较高时,标准偏差和峰度随着粒径的增加而增大,但增大的幅度较小。玻璃珠的标准偏差较小,但峰度明显高于聚甲醛颗粒。构建了操作参数对颗粒碰撞行为影响的三维图。研究结果有助于促进流化床换热防垢节能技术的工业化应用。     

水平管外降膜蒸发流动和传热特性数值模拟

建立三维模型并模拟了制冷剂R410A在水平管外的降膜流动和蒸发过程,探究了喷淋密度、热通量和布液孔偏离管轴心距离对降膜流动和传热的影响。结果表明：沿管周方向,液膜厚度和传热系数逐渐减小并趋于稳定,至管底处由于局部液体堆积,液膜增厚、传热系数降低;喷淋密度较小时,总传热系数随着热通量增加而降低,随着喷淋密度增加而显著提高;液膜Reynolds数达2000后,总传热系数随喷淋密度增加而缓慢提升并趋于平稳,此时热通量的增加会提升总传热系数;随着布液偏心距的增加,总传热系数先略微上升并趋于平稳,而后由于出现局部“干涸”和液膜堆积区域,总传热系数急剧下降;随喷淋密度的增加,总传热系数急剧下降的临界点会逐渐往大偏心距偏移。     

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。     

岩石球砾弹塑性碰撞能耗分析及数值模拟

落石在接触过程中的法向恢复系数是影响其运动轨迹的关键因素。为了揭示落石碰撞法向恢复系数的力学机理,采用ABAQUS建立岩石球砾弹塑性接触模型,模拟落石与弹性平板的接触行为,揭示材料参数(弹性模量,黏聚力、内摩擦角和抗拉强度)对法向恢复系数及速度效应的影响。结果表明:当黏聚力减小时,法向恢复系数随之减小且随速度变化的斜率减小;内摩擦角具有类似的效应,且内摩擦角大小决定了接触中心是否产生弹性核。针对大理岩球砾室内碰撞试验的数值模拟结果与试验结果基本一致。因此,本模型可以用于实际更大尺寸的落石碰撞模拟中,为防护设计提供参考依据。