亚格子过滤双流体模型的网格依赖性

基于双流体方程和颗粒动力学理论的计算模型被广泛应用于流化床的气固两相流数值计算,高精度网格是其准确计算流动的必要条件。一些经典的微尺度阻力模型,其网格尺度决定其模拟结果的精度。亚格子过滤双流体模型是一种有效的适用于粗糙网格的计算模型,其包含的气固相间作用力和颗粒相应力本构方程是在高精度网格条件下,以微尺度双流体方程和颗粒动力学理论计算得到的气固流场为基础,对计算结果进行小尺度过滤后得出。使用亚格子过滤双流体模型替换基于颗粒动力学理论的双流体模型,针对同一物理问题,在不同网格尺度下进行了数值计算,结果表明此计算模型相比经典阻力模型具有较好的网格无关特性,并且和实验结果较为一致。同时也对颗粒动力学理论与之相结合进行了尝试,即仅使用亚格子过滤阻力模型,颗粒相应力仍然使用颗粒动力学模型,其计算结果的网格无关性及与实验值的吻合程度优于经典模型。     

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。     

35t/h内循环流化床锅炉流动数值模拟

采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型,对35t/h内循环流化床锅炉炉膛的气、固流动特性进行了数值模拟。结果表明:炉膛压差的模拟值与实验值吻合较好,说明欧拉双流体模型能够准确地描述炉膛内气、固流动特性;颗粒体积分数和速度分布特性既揭示了内循环流化床中颗粒的内循环流动机理,又为内循环流化床大型化和流动结构优化提供了参考。     

65 t/h高低差速循环流化床流动特性模拟

对一台65 t/h高低差速循环流化床炉内流动特性进行二维数值模拟。采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型来描述气固流动,湍流模型、气固曳力模型和不同粒径颗粒间曳力模型分别采用RNG k-ε per phase模型、Gidaspow模型和Schiller-naumann模型,并应用商业计算流体力学软件Fluent进行数值计算,得到炉内颗粒速度分布、压力分布和颗粒浓度分布,并将压力分布与实测值进行对比。在欧拉双流体模型中分别采用单粒径固相模型和多粒径固相模型,并对模拟结果进行对比分析。结果表明,单粒径固相模型能够较好预测高低差速循环流化床炉内流动特性,为其优化设计、运行及大型化提供了理论依据。     

气液固三相湍流流动的E/E/L模型与模拟

采用基于双流体模型与粒子分散模型相结合的方法 ,建立了一个用于描述气液固三相湍流流动的Eulerian/Eulerian/Lagrangian模型 (简称E/E/L模型 ) .在Euler坐标系中考虑了气液两相 ,利用双流体模型来表述气液两相的相互关系 ;同时在Lagrange坐标系中考察了颗粒的运动 ,并把颗粒对气液两相的影响耦合于双流体模型中 .以流化床内气液固三相湍流流动为例进行的数值模拟结果与实验结果吻合良好 .所提出的模型及其模拟具有很好的准确性和可靠性 ,为研究气液固三相湍流流动提供了一种新的途径     

气固颗粒系统模拟的研究进展

综述了气固颗粒系统模拟方法的发展状况。首先,从宏观、中观及直接数值模拟角度对基于欧拉-欧拉架构下的双流体模型、拉格朗日-欧拉架构下的离散气泡模型以及欧拉-拉格朗日架构下的计算流体力学和离散单元法耦合模型(CFD-DEM)及直接数值模拟方法就模型基本原理、计算量、预测精度以及应用前景等方面进行对比和分析。接着,针对工程应用前景较强的双流体模型和CFD-DEM模型进行了详细阐述,着重强调了欧拉架构下的模型植入过程,颗粒相的动力学过程和微观行为描述、两相耦合作用及相间耦合模型描述。基于欧拉-拉格朗日架构下的多相耦合模型的普适性,模型的应用已经从研究尺度的模拟逐渐走向工程尺度的模拟,成为今后研究多相颗粒系统的热点。     

固相粘度模型对A类颗粒鼓泡流化特性CFD模拟结果的影响

基于双流体模型,采用修正的Gibilaro曳力模型,研究了A类颗粒在气固鼓泡流化床中的流化特性,讨论了不同固相粘度模型(Gidaspow经验模型、KTGF模型、KTGF+Schaffer模型)对模拟结果的影响.结果表明,采用3种粘度模型预测的床层膨胀特性基本一致,但Gidaspow经验模型预测的颗粒平均向上/向下速度显著小于KTGF模型和KTGF+Schaffer模型,且采用KTGF+Schaffer模型时系统处于节涌而非鼓泡状态.合理选择固相粘度模型对双流体模拟结果的准确性有重要影响.     

网格尺寸对循环流化床内气固两相流动的影响

将基于能量最小多尺度方法(EMMS)的曳力模型耦合到双流体模型中,并针对循环流化床内的气固两流动进行了模拟研究。采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相,考察了3种网格尺度对轴向空隙率和出口颗粒循环量等气固流动特性的影响。计算结果表明,应用EMMS曳力模型处理相间作用力,同时在采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相时,双流体模型能够正确预测轴向空隙率分布。采用网格尺寸为2.325 mm×20 mm时,模拟结果和实测数据吻合较好,表明在循环流化床的数值模拟中选择恰当的网格尺度是极为重要的。     

循环流化床流动数学模型综述

综述了有关循环流化床内气固两相流动的数学模型,包括欧拉坐标系下的两相流体模型以及近年来兴起的颗粒动力学双流体模型、基于拉格朗日坐标下的颗粒轨道模型、被很多学者应用的“小室模型”等,对由这些基本模型发展出的更新的一些模型进行了分类,并比较了其各自优缺点,提出了可能的发展方向。     

纳米颗粒聚团流化特性的数值模拟

基于气固两相流体动力学和流态化理论,建立气体纳米颗粒气固两相双流体模型.模型中采用了Jung&Gidaspow[1]测量的固相应力模量,并应用了王垚,金涌,魏飞[2]提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒聚团的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

相态逆转及其密度波的不稳定性

在长度／直径比为1250的水平管内研究了液液相态逆转现象及其对油水两相流和油气水多相流水动力特性的影响．以双流体模型为基础,考虑悬浮相所受的雷诺应力,提出了描述气液两相流和液液两相流中密度波不稳定性的通用模型．模型计算结果表明,“水包油”流型与“油包水”流型之间的相态逆转在悬浮相体积分数为0.3左右发生,与经验性结论相吻合,揭示了相态逆转的机理．     

跨临界CO2在短管内的非平衡流动特性

建立了跨临界CO₂在短管内流动的两流体模型和均相流模型.两流体模型考虑了汽液两相间的速度滑移和温度差异,而均相流模型则认为汽液两相的速度和温度相同.分别用两种模型进行了计算,并与实验数据进行了对比.结果表明：两流体模型90%的流量计算值与实验值偏差在±20%以内,并能合理预测压力的沿程分布;均相流模型对流量的预测结果与两流体模型接近,并未因忽略非平衡特性而严重偏低.另外,汽液两相温度差异和速度滑移的分布计算结果也证实了短管内跨临界CO₂流动的非平衡性并不显著.本文从理论上对此现象进行了解释.     

水平管段塞流气弹区液膜特性研究

为了研究气液段塞流相界面的结构特征,采用了双平行电导探针技术对水平管内段塞流气弹区的液膜特性进行了实验测量,并基于一维双流体模型导出液膜厚度的控制方程,该方程对液膜厚度的预测结果与实验结果吻合良好。结合液膜厚度计算模型提出了计算段塞流的机理模型,该段塞流机理模型的计算结果表明对于液相表观速度较高而气相表观速度较低的段塞流,机理模型中忽略液膜非平衡性时得到的平均液膜厚度和气弹区长度明显偏低。     

层流泡状流的近似解析解

当前描述泡状流的双流体模型无法求得解析解,只能通过数值计算的方法进行模拟.本文则针对最基本的泡状流（垂直圆管内稳态层流泡状流）,通过对其双流体模型进行积分,得到比较直观的揭示层流泡状流流场成因的近似解析表达式.并用数值积分的方法迭代求解该表达式,所得到的数值结果与实验数据吻合很好.虽然该表达式是积分形式的,仅能算是近似的解析解,但它揭示了影响泡状流流场的因素,在理论上向前迈进了一步.     

Modeling of cluster structure-dependent drag with Eulerian approach for circulating fluidized beds

Flow behavior of gas and solids is simulated in combination the gas-solid two-fluid model with a cluster structure-dependent (CSD) drag coefficient model. The dispersed phase is modeled by a Eulerian approach based upon the kinetic theory of granular flow (KTGF) including models for describing the dispersed phase interactions with the continuous phase. The drag forces of gas-solid phases are predicted from the local structure parameters of the dense and dilute phases based on the minimization of the energy consumed by heterogeneous drag. The cluster structure-dependent (CSD) drag coefficients are incorporated into the two-fluid model to simulate flow behavior of gas and particles in a riser. Simulation results indicate that the dynamic formation and dissolution of clusters can be captured with the cluster structure-dependent drag coefficient model. Simulated solid velocity and concentration of particles profiles are in reasonable agreement with experimental results.     

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。     

水平管路油气混输模拟技术

以双流体模型为基础,建立了适用于水平油气混输管路的瞬态数学模型,并讨论了模型的求解以及分层流的结构方程对计算结果的影响。在大型多相流实验环道上进行了大量的混输瞬变流动过程实验,利用实验和现场数据对瞬态模型模拟得到的混输管道中的平均持液率、压降以及瞬变过程的入口压力、持液率等流动参数等进行了验证和计算,结果表明建立的模型可以比较准确地预测油气混输管路中的流动参数。     

Interfacial area concentration in boiling bubbly flow systems

The interfacial area, which describes available area for the interfacial transfer of mass, momentum and energy, is a crucial parameter in a two-fluid model formulation. From this point of view, this study performed (i) extensive survey on existing models and correlations developed for boiling bubbly flows, (ii) extensive survey on existing interfacial area database for boiling bubbly flows, (iii) formulation of the physical model based on bubble number density transport equation, (iv) simplification of the model to identify the dominant parameters governing the interfacial area, and (v) finalization of the model based on the collected extensive data and development of the interfacial area correlation. The developed correlation of the interfacial area concentration agreed with 569 adiabatic flow data and 343 boiling flow data within averaged relative deviations of ±21.1% and ±31.0%, respectively.     

A two-fluid model for non-equilibrium two-phase critical discharge

A general two-fluid model is developed to predict critical (choked) flow of initially saturated or subcooled flow from pipes and nozzles. The model contains improvements in the basic formulation, constitutive relations and solution technique over previously published models. It consists of six conservation equations as well as a seventh equation representing bubble growth in bubbly flow. It allows for hydrodynamic as well as thermal non-equilibrium. The model considers the development of three flow regimes, namely, bubbly, churn and annular flow regimes. The model predictions were compared with the limited available experimental data for which the axial pressure distributions were recorded. Excellent agreement was obtained.     

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.