循环流化床中不同密度颗粒分离特性的直接数值模拟研究

针对循环流化床铁矿粉烧结技术中的关键问题，首次用直接数值模拟方法对不同密度床料颗粒在床内的分布进行了数值模拟。数值模拟将气相场和离散颗粒场分别用欧拉方法和拉格朗日方法进行处理，在每一时间步长内对气相场和离散颗粒场的相互作用进行耦合，得出了焦炭和铁矿粉混合床料在循环流化床内的分离规律。数值模拟结果与国外相同研究的实验结果进行了对比，验证结果表明本文所给出的直接数值模拟方法具有较高的准确性。     

大颗粒气固流态化及其数值模拟的研究进展

随着流态化研究的不断深入,大颗粒气固流化床也受到广泛关注,逐渐应用到水泥流态化煅烧、煤炭的干法分选等工程领域,而计算机技术的发展,也使得对大颗粒流化床进行数值模拟从而进行最优化的结构设计成为可能.介绍了大颗粒流化床流态化及其数值模拟的基本原理以及大颗粒流化床数值模拟研究的现状,并对目前存在的问题以及未来的发展方向进行了简要的概述.     

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。     

高温大颗粒气固流化床流化行为数值模拟

通过数值模拟,对内含直径为3 mm流化颗粒的二维高温流化床开展了研究。其中欧拉途径被用于描述气相运动,而对颗粒相描述则采用拉格朗日途径。采用离散单元法跟踪颗粒在不同时刻位置和速度。结果表明:与300K时相比,1 000 K高温床的临界流化风速有所提高,压降脉动及床层最大膨胀比明显降低。1 000 K时,流化数提高至1.67,高温床内可见到大尺寸的气泡。在气泡之外上、下2个区域中处于气泡对称轴上的颗粒,水平速度具有相反的方向;而y方向上,这二部分颗粒群的速度均向上并大致在10-1m/s范围之内。     

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。     

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。     

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。     

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。     

气-固流化床中颗粒碰撞压力时间序列信号分析与随机模拟

对气–固流化床中颗粒碰撞压力的波动现象及其时间序列信号的统计特征进行了探讨. 分析结果表明,颗粒碰撞压力的波动规律与气泡的运动密切相关,所测颗粒碰撞压力是由气泡运动所引起的尾涡颗粒动量传输的结果. 用自回归模型对颗粒碰撞压力信号进行了随机模拟, 模拟结果与实测结果有较好的相似性.     

气-固流化床中颗粒碰撞压力时间序列信分析与随机模拟

对气－固流体床中颗粒碰撞压力的波动现象及其时间序列信号的统计特征进行了探讨。分析结果表明，颗粒碰撞压力的波动规律与气泡的运动密切相关，所测颗粒碰撞压力是由气泡运动所引起的尾涡颗粒动量传输的结果。用自回归模型对颗粒碰撞压力信号进行了随机模拟，模拟结果与实测结果有较好的相似性。     

高湿黏性颗粒在聚四氟乙烯微孔膜滤料表面沉积特性的数值模拟

基于聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜滤料扫描电镜(SEM)图像,建立PTFE微孔膜滤料微观结构模型,采用计算流体力学和离散单元法(CFD?DEM)耦合的方法对黏性颗粒在微孔膜滤料表面沉积特性进行模拟,引入液桥力模型,忽略范德华力的作用,统计计算域内颗粒的受力情况,分析了不同表面能条件下3~6 ?m粒径颗粒在微孔膜滤料表面的沉积特性,将模拟结果与黏附效率的经验公式进行对比。结果表明,黏附效率与经验值、颗粒受力与液桥力模型的相对误差均在6%以内,CFD?DEM耦合计算方法可用于模拟不同环境湿度条件下的颗粒沉积;过滤风速、粒径与黏性是影响沉积形态的重要因素,提高过滤风速及增大颗粒粒径与黏性,颗粒更易在滤料表面形成稳定的树突结构,黏附效率及含尘压降增加。环境相对湿度影响两物体间液桥体积,接触力影响颗粒沉积,当增加表面能与液桥体积时,接触力及液桥力均相应增加,根据受力平衡原理,环境相对湿度对颗粒沉积影响很大。     

气固流代床中颗粒碰撞压力的测量

研制了一种高灵敏度应力－应变传感器。于用测量气固流化床中固体颗粒对内构件的碰撞压力。实验表明，该传感器线性度好、灵敏度高，可满意不同操作条件下的测量要求。     

气固流化床中颗粒碰撞压力的测量

研制了一种高灵敏度应力 -应变传感器 ,用于测量气固流化床中固体颗粒对内构件的碰撞压力。实验表明 ,该传感器线性度好、灵敏度高 ,可满足不同操作条件下的测量要求。     

侧壁辅助进气微小流化床内纳米颗粒流化特性的数值模拟

基于双流体模型,使用计算流体动力学软件Fluent6.3,对气固微小流化床（床高220 mm,内径20 mm）内侧壁辅助进气纳米颗上流化特性进行了数值模拟,考察了床内固含率和颗粒运动的分布规律,系统地研究了侧壁开孔位置对颗粒流化质量的影响.结果显示：设计向上倾斜角为60.的侧壁辅助进气口距床底10 mm的流化床性能最好,能大大强化床内颗粒的内循环,提高颗粒的离散性,明显抑制颗粒的沟流和粘壁运动.     

单孔射流流化床内颗粒混合特性的数值模拟

在欧拉-拉格朗日坐标系下,采用离散单元法对单孔射流流化床内颗粒混合特性进行了数值模拟。引入混合指数对床内轴向及径向布置的颗粒混合质量进行定量分析,并研究了不同表观气速、不同弹性系数对颗粒混合特性的影响。模拟得到了颗粒轴向及径向混合序列图、气体和颗粒速度分布、整床颗粒混合指数分布、参量变化时整床颗粒混合指数分布。结果表明：流化床床层内颗粒混合速度受颗粒内循环能力和颗粒扩散能力的综合作用。单口射流喷动流化床颗粒轴向混合速度主要由颗粒内循环速度决定,颗粒径向混合速度主要由颗粒扩散能力决定。表观气速增大时,颗粒内循环速度增加,从而加快了颗粒轴向混合进程,但对颗粒径向混合影响微弱;弹性系数增大时,颗粒混合速度及混合质量均下降,并且弹性系数增大对颗粒径向混合进程影响小于颗粒轴向混合。     

气—固流化床中颗粒碰撞压力的研究

通过对床中物体表现与碰撞颗粒流之间的动量衡算,疳颗粒流动量通量颗粒的碰撞压力相关联,建立了流化床中颗粒碰撞压力的理论模型。计算表明,在浓相鼓泡区,颗粒的向上碰撞压颗粒密度及操作气速度加而迅速增加。理论计算与实测结合基本吻合。     

直接热耦合增湿-去湿海水淡化过程数值模拟

直接热耦合增湿-去湿(TCHD)淡化能够利用太阳能等低位热能,特别适合在缺水岛屿和内陆偏远地区应用.发展了非饱和条件下的TCHD过程传热-传质数学模型,结合试验数据建立了TCHD过程蒸发侧气液相间传热系数和冷凝侧与蒸发侧间总传热系数的关联式,通过数值模拟研究了TCHD淡化柱内的湿度,温度,不凝气含量和总传热系数的变化规律,讨论了海水顶温变化对湿度、不凝气含量和总传热系数的影响.     

各向同性湍流中颗粒弥散的直接数值模拟

对三维气粒两相各向同性湍流进行了直接数值模拟以研究悬浮在其中的颗粒的运动.重点考察了颗粒惯性对颗粒和颗粒所见流体速度的自相关以及颗粒弥散特性等的影响.颗粒的Lagrangian积分时间尺度随颗粒惯性单调增加,颗粒所见流体速度的Lagrangian积分时间尺度保持相对稳定;当颗粒的弛豫时间尺度与流体的Kolmogorov时间尺度相当时,流体Lagrangian积分时间尺度有较大偏离.当颗粒的惯性很小时,颗粒扩散随惯性增大而增强,但当颗粒的惯性大于一定值时,颗粒的扩散性反而减弱,局部富集明显时颗粒扩散系数最大,此时颗粒的涡扩散系数可比流体的高约30%.τ_p/τ_k≈1.0的颗粒的浓度场显示,由于局部富集效应颗粒倾向于集中在低涡度高剪切的区域.     

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。     

铝颗粒点火数值模拟

分析了准稳态铝颗粒在高温氧化剂中由于传热和表面的化学反应导致升温-熔化-升温-点火的过程，建立了铝颗粒点火模型，并对点火过程进行数值模拟。计算结果给出了对流传热、辐射传热、熔化热和异相表面反应热等对点火的影响。研究结果表明在点火过程中，铝的氧化在颗粒温度达到一定温度（T〉1000K）时才比较明显；点火时铝单质质量分数随环境温度的升高而略有增加，与颗粒尺寸无关；点火延时随着环境温度升高和颗粒半径的减小而缩短。