基于两相流流型的平行流冷凝器整体仿真模型与实验验证

引言平行流冷凝器作为一种新颖的换热器加之其不同于传统翅片管换热器的结构,因此其传热流动性能尚处研究之中。尤其是平行流冷凝器制冷剂侧微通道两相流机制及其转变不同于常规的管子,以往关于平行流冷凝器整体仿真模型的研究中,微通道两相流数值模拟大都采用传统大管径模型或者修正     

基于颗粒动力学理论的搅拌器中固液流动的数值模拟

在欧拉双流体模型基础上引入颗粒动力学理论(KTGF),对带挡板圆盘涡桨式搅拌器内的固液两相流动进行数值模拟。结果表明,搅拌器底部颗粒温度分布与固相浓度分布趋势吻合,转速低于600 r/min时,槽底会形成明显的颗粒沉积,转速从600 r/min增至1500 r/min,堆积区向轴中心收缩,基于颗粒动力学理论可以合理解释挡板及叶轮转速对固相浓度分布的影响。随叶轮转速增大,搅拌器内固液两相湍流运动加剧,颗粒温度、湍动能及轴向速度增加,颗粒分布更均匀,但达到完全悬浮状态后颗粒温度趋于稳定。搅拌器底部和挡板处颗粒堆积导致了局部颗粒浓度增加及颗粒平均自由行程减少,颗粒温度反而降低;同时挡板布置使搅拌器内形成了双循环回路,加强了流体的湍流程度,增强了湍动能,但导致颗粒在挡板处积聚,不利于固相在挡板处均匀分布。     

平行流换热器两相流分配模型的建立与验证

制冷剂的分配不均对平行流换热器的换热性能会产生重大影响。基于T型管的T-junction模型,联立质量方程和压力方程,设计合适的算法建立平行流换热器两相流流量分配的模型,该模型的优势在于无需已知分歧管流量可模拟分歧管的分配特性。在此基础上,将模型的计算结果与实验数据对比验证,验证了模型有效性,为平行流换热器的设计提供合理的依据。计算并分析了干度与质量流量对平行流换热器分配的影响,结果表明干度对平行流换热器分配的影响不大。在干度不变时,提高流体的质量流量可以对平行流换热器流量分配进行改善。     

Holdup for two-phase flow of gas-non-newtonian liquid mixtures in horizontal and vertical pipes

The paper deals with the experimental investigations carried out to evaluate holdup for gas-non-Newtonian (pseudoplastic) liquid mixtures in vertical and horizontal flow in pipes. Correlations developed predict holdup in slug flow regime with acceptable statistical accuracy.     

蒸发管内汽液两相流不稳定性线性均相模型

提出了描述两相流不稳定性的线性均相模型。根据均相模型运用系统控制原理的方法导出了描述系统稳定性的无因次参数η。运用参数η判断系统的稳定性，计算值和试验值基本吻合。     

基于段塞流捕捉的高黏油气两相流模型的建立与验证

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计的组合模型。通过气液相间滑移速度和液相连续性方程的求解得到管路中不同时刻和位置的持液率,以持液率的变化反映段塞的形成和发展。建立气液动量守恒方程关联持液率和压力,得到管路中各位置的压力变化。闭合关系式中,通过液塞平移速度、壁面及气液相界面的剪切力关系式加入黏度的影响,最终建立适用于高黏油气两相流的段塞捕捉模型。使用不同来源的数据验证模型计算压降和液塞长度的准确性,数据分别来源于国外研究者的实验数据和大庆油田的现场数据。结果表明,模型具有较高的计算精度,大部分压降误差在±15%以内,大部分液塞长度误差在±20%以内。     

风粉混合器内气固两相流动的模拟及试验研究

煤粉工业锅炉系统中风粉混合器是实现煤粉与一次风快速均匀混合的关键设备,测量及计算风粉混合器内煤粉、一次风气固两相流流场,对于优化风粉混合器结构,强化风粉混合效率及提高一次风粉的均匀稳定供给具有重要意义。笔者针对竖直结构及倾斜结构的2种风粉混合器,开展了数值计算及现场工程试验研究。基于几何拓扑学知识,采用ICEM软件针对2种风粉混合器划分了合适的三维网格;多相流理论模型中,多相连续介质模型中的双流体模型各相视为相互渗透、耦合但又保持各自运动特征的连续介质,相比于单流体模型,双流体模型考虑了固相的湍流输运以及气固两相间相互滑移引起的阻力,使得计算结果更接近实际情况;冷态双流体模型基本方程由守恒方程、相间耦合方程以及封闭方程构成,其中相间耦合方程用于表征气固相动量之间的耦合;为了探究不同停留时间下风粉混合器内气固两相的流场特征,采用非稳态数值计算方法,利用Fluent软件开展数值计算。基于两相流模型及Schilller-Naumann曵力系数模型研究了不同结构下风粉混合器内煤粉浓度分布随停留时间变化特征,采用德图testo425热敏风速仪测量了不同煤粉落料量下风粉混合器内负压变化规律。结果表明,竖直结构的风粉混合器内停留时间由0.25 s增至1 s时,混合器底部颗粒沉积的现象一直存在,即存在较长时间的颗粒流动死角区域;而对于倾斜结构的风粉混合器,当停留时间大于0.3 s,混合器内颗粒浓度基本降为0,较好避免了颗粒在混合器底部的沉积,该结构对于强化混合器内风粉混合及降低供料波动具有重要意义。不同落料量下的现场工程试验结果表明,高落料量下竖直结构的风粉混合器内平均负压偏小,几乎接近正压,且存在间断正压喷粉的现象,故该风粉混合器在高落料量下负压不足,易造成供料波动较大;高落料量下倾斜风粉混合器负压平均值仍大于-1 000 Pa,且无喷粉现象。相比于竖直结构,倾斜风粉混合器具有稳定且较宽的负压变化范围,能较好地克服供料波动大的现象。     

复杂地形条件下气液两相混输工艺水力模型建立

随着普光气田的开发,关于复杂地形条件下的气液混输工艺计算模型,特别是湿气集输工艺计算模型成为研究的关键问题。针对低含液复杂地形条件,建立了水力计算模型,提出了气液界面的凹面湿壁分数、剪切应力以及摩擦因子计算闭合关系式。开展了室内实验,验证了压力与持液率计算模型的准确性,收集了普光气田的现场生产压力和清管积液量数据,计算的压降结果与生产数据之间的误差在±5%以内,积液量的预测结果误差在±10%以内,吻合较好,建立的模型可以用于该条件的工艺计算。     

Study of cluster formation in dense two-phase flow using a multi-lattice deterministic model

To simulate cluster formation in dense two-phase flow, a multi-lattice deterministic trajectory (MLDT) model is developed. The actual inter-particle collision and particle motion are treated by a Lagrangian trajectory model with three sets of lattices to reduce computation time. Initially, the MLDT model is used to simulate dense gas-particle flow in a vertical channel for validation with available simulated and experimental data. Using the MLDT model, effects of particle properties and flow parameters on cluster formation are studied. It is shown that cluster formation is enhanced by the reduction of particle restitution coefficient and increase of original particle volume fraction.     

基于群体平衡原理的蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾数值模拟

基于相似原理建立了耦合四叶梅花形支撑板的蒸汽发生器“单元管”三维物理模型。采用考虑汽泡聚合与破碎效应的MUSIG （multiple-size-group）模型描述二次侧汽泡尺度分布和水力特性,热相变模型计算二次侧汽液两相沸腾相变过程,对大亚湾蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾过程进行数值研究。模拟结果表明,支撑板位置处汽、液相流速均急剧升高,产生射流,在离开支撑板孔口时迅速形成回流。两相邻支撑板间出现明显的汽泡由小到大的周期性变化过程,冷、热端沿程汽泡最大直径缓慢减小。二次侧平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果吻合较好。     

搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展

搅拌式气液反应器因其操作灵活、适用性强等优点,在过程工业中应用广泛.综述了采用计算流体力学CFD技术对搅拌反应器内气液两相流动行为的数值模拟研究.Euler-Euler双流体模型作为主要方法用于描述气液两相流动,在其基础上耦合相对简单的气泡数密度函数模型或复杂的群体平衡模型,可较为准确地预测搅拌反应器内气泡尺寸和局部气含率及其分布规律.CFD模拟结果可用以分析和评价不同搅拌桨叶、搅拌桨组合和气体分布器的气液分散性能,对气液反应器的结构优化和过程强化提供了有效手段.     

正弦型微通道内液-液两相流型及流动特性实验研究

采用实验的方法对不混溶的液液两相流体在不同入口结构下的正弦微通道(直通道正弦、波峰正弦和波中正弦)内液滴的流动特性进行了分析。硅油作为离散相,含有0.5% SDS的蒸馏水作为连续相,观测到弹状流、滴状流和射状流。分析了两相流动参数及不同的微通道入口结构对流型和液滴长度的影响。流型受微通道入口结构影响较大,波峰正弦微通道能够生成最大范围的稳定的流型。液滴长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大,随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低。微通道入口结构对液滴长度有影响,直通道的正弦微通道内液滴长度最短,更有利于液滴的形成。三种通道生成的液滴中,最大的液滴尺寸是最小的液滴尺寸的1.15~1.39倍,但正弦流动段对液滴速度几乎没有影响。     

T形微通道中互不相溶两相流数值模拟

采用摄动有限体积（PFV）算法和水平集（level set）技术对T形微通道内互不相溶两相流动进行了数值模拟研究。考察了两相界面张力和微通道壁面润湿性对流动的影响,精确地捕捉到了油水两相流动的界面。对一些典型的T形微通道油水两相流动进行了数值计算,模拟结果和实验结果吻合较好。分析总结出了微通道内两相流动过程中的一些基本规律,为微通道内的液液两相流动实验设计和工业应用提供了新的数值预测手段。     

基于流型的文丘里管二相流量测量方法

为了准确测量气液二相流流量,将James流量公式作为典型公式,通过对其测量结果分析,发现二相流动分为2大类,一类为泡状流、塞状流和弥散泡状流,另一类为弹状流和环状流。在流型识别的基础上,得到针对流型的流量测量修正关系式,修正后测量误差的均方根由修正前的0.174减小为0.042。试验结果表明,针对流型的流量测量可以有效提高测量精度,同时二相流波动系数与流量测量精度有关,随着二相流波动系数的增大,流量测量精度下降。     

台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理

利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理。以甘油水为分散相、含3% Span 85的环己烷为连续相,观测到了滴状-滴状流、过渡-滴状流、喷射-过渡流和喷射-喷射流4种流型;以两相流量为坐标轴绘制了流型图,并获得了流型转变线;分析了流型的转变机理。考察了分散相黏度对流型及其转变的影响机制。随着分散相黏度的增大,流型转变线整体向下移动,滴状-滴状流区域变小,喷射-喷射流区域变大。最后,运用介尺度概念分析了并行微通道内液液两相流非均匀结构的动态效应。     

撞击流气化炉内气粒两相流动的数值模拟

对撞击流气化炉内气粒两相流动进行了三维数值模拟。在Euler坐标系中计算气相流场,在Lagrange坐标系中跟踪颗粒运动轨迹,考虑了熔融灰渣颗粒间的碰撞合并、反弹。模拟结果与冷模流场测试数据、热模实验现象一致。通过考察不同工况下的流场计算发现：增加喷嘴以上直段高度使流场更对称,物料停留时间增加,若同时提高入口气速将使颗粒在炉壁的沉积量增加;模拟结果与热模实验都表明撞击形成的强烈湍流和火焰主要集中在撞击中心;颗粒碰撞合并使炉内颗粒选择性团聚,但炉内颗粒浓度分布整体比较合理;Stokes数为0.19的小颗粒跟随性较好,较大Stokes数颗粒不易被流场控制,且对流场具有较大的影响。     

偏心组合桨搅拌槽内层流混合过程的数值模拟

目前,处理高黏流体和对剪切敏感介质的层流搅拌槽的报道并不多见。本文建立了描述双层组合桨搅拌槽内高黏非牛顿流体层流流动、混合过程的数学模型,利用Laminar模型、多重参考系法（MRF）和示踪剂浓度法对其流场特性、示踪剂扩散过程进行数值模拟,分析搅拌槽内轴向速度曲线、示踪剂浓度响应曲线和混合时间。结果表明：中心搅拌中间面将介质阻隔在各自的半层内运动,偏心搅拌介质作全局运动,轴向混合能力突出;转轴中心搅拌依靠上下半层浓度差的增大向下扩散,转轴偏心搅拌通过不对称结构扩散示踪剂,叶轮相对转轴偏心搅拌则利用叶片的不对称分布;距离加料点较近和较远的监测点浓度响应曲线因振荡和调整,混合时间较长,处于中间面的监测点拥有最短的混合时间。     

DEM-CFD simulation of the particle dispersion in a gas-solid two-phase flow for a fuel-rich/lean burner

The objective of this study was to numerically investigate the particle dispersion mechanisms in the gas-solid two-phase jet for a fuel-rich/lean burner by means of coupling the discrete element method (DEM) with the computational fluid dynamics (CFD). The DEM was employed to deal with the particle-particle and the particle-wall interaction in the computation of solid flow; while gas flow was computed by CFD based on the commercial software package Fluent. The particles with various Stokes numbers equal to 0.1, 0.5, 1, 2 and 3 (corresponding to particle diameter 10.8, 24.17, 34.18, 48.38 and 59.21 μm, respectively) in the gas-solid fuel-rich/lean jet were investigated in this study. The particle-particle collision was simulated and its effect on the fuel-rich/lean separating performance was evaluated. The results show that the particle-particle collision occurred more frequently with the increasing of Stokes numbers from 0.1 to 3. The particle dispersion became more uniform between the fuel-rich side and the fuel-lean side for particles with small Stokes number; while for particles at St > 1, a better fuel-rich/lean separating performance was achieved. The efficiency of the DEM-CFD coupling method was validated by the corresponding experiments, and a good agreement between the simulation and experiments was achieved as a result of the particle-particle collision.     

开孔阳极铝电解槽熔体中气液两相流数值模拟

引言目前的电解铝生产工艺以氧化铝为原料,在直流电的作用下,熔融电解质中的氧化铝在高温环境下与碳阳极发生复杂的电化学反应,主要在阳极底掌析出二氧化碳[1]。二氧化碳气体从阳极底掌产生到逸出电解质表面的过程中,一方面会不断搅动电解质熔体,阳极气泡与电解质相互发生复杂的传热传质作用,有利于氧化铝颗粒在高温熔体中均匀快速地溶解和扩散运动;另一方面,由于     

扰流型喷枪顶吹管内特殊两相流流型实验

主要对自主设计的渐缩管、渐扩渐缩管、螺旋管和四孔管进行水-空气两相流混合顶吹实验,并得出了扰流型喷管的管内流型变化规律。实验通过对可视化特殊喷管内的气液两相进行高速拍摄,并调节水与空气两相各自的体积流量,获取不同喷管中出现的特殊流型照片及视频。实验结果表明：在表观气速和表观液速变化时,除渐缩管外,其他特殊喷管的流型转变均有一定规律性;渐扩渐缩管内截面半径变化较大,易产生环状-搅拌流,并有典型泡状流出现,螺旋管由于轴向环流速度的影响,会产生大密度泡状流并逐渐过渡到有旋流趋势的环状流型,特殊结构的四孔管中流型较稳定,短暂出现泡状流、弹状流后形成稳定环状流。四孔管的设计最利于冶金熔炉中柴油-氮气混合两相流喷吹,形成的气泡群中单个气泡直径较小,柴油被充分细化打散,渣层中的还原反应更充分,能有效提高柴油对渣层中磁性铁的还原率。