耦合EMMS曳力与简化双流体模型的气固流动模拟

提出了一种耦合EMMS曳力的简化双流体模型,该模型忽略固相黏度,用简单的经验关联式来计算固相压力,并且耦合考虑了介尺度结构的EMMS曳力模型来计算气固相间作用力。采用简化双流体模型成功模拟一个三维实验室尺度鼓泡流化床,数值模拟结果与完整双流体模型以及实验测量结果进行了比较,结果表明耦合EMMS曳力的简化双流体模型模拟结果与完整双流体模型耦合EMMS曳力的模拟结果基本相当,并且都与实验结果吻合良好,然而简化双流体模型的计算速度是完整双流体模型的两倍以上。这表明曳力模型在气固模拟中起着主导作用,而固相应力的作用是其次的,耦合EMMS曳力的简化双流体模型在实现工业规模气固反应器快速模拟中具有巨大潜力。     

耦合EMMS曳力与简化双流体模型的气固流动模拟

提出了一种耦合EMMS曳力的简化双流体模型,该模型忽略固相黏度,用简单的经验关联式来计算固相压力,并且耦合考虑了介尺度结构的EMMS曳力模型来计算气固相间作用力。采用简化双流体模型成功模拟一个三维实验室尺度鼓泡流化床,数值模拟结果与完整双流体模型以及实验测量结果进行了比较,结果表明耦合EMMS曳力的简化双流体模型模拟结果与完整双流体模型耦合EMMS曳力的模拟结果基本相当,并且都与实验结果吻合良好,然而简化双流体模型的计算速度是完整双流体模型的两倍以上。这表明曳力模型在气固模拟中起着主导作用,而固相应力的作用是其次的,耦合EMMS曳力的简化双流体模型在实现工业规模气固反应器快速模拟中具有巨大潜力。     

稠密同轴气固射流的CFD模拟

同轴气固射流在能源领域具有广泛地应用,但大多数研究集中在颗粒浓度较低的工况。为了研究稠密同轴气固射流的流动特性,采用了稠密离散相模型(DDPM)耦合离散元模型(DEM)的方法对该体系进行计算流体动力学(CFD)模拟,该方法同时考虑了孔隙率对气固曳力的影响和颗粒间的碰撞作用。由于射流过程中,气体对颗粒的作用占主导,分别考虑了不同环形气体速度和气固曳力模型对气固流动的影响。模拟结果表明,该模型能合理地模拟在不同气速下稠密气固两相射流的颗粒弥散特性,与实验现象定性一致。在较高气速下,引入湍流模型对预测结果有显著影响,模拟得到的颗粒弥散程度较大。不同气固曳力模型对颗粒弥散的预测有明显影响,WenYu曳力模型下颗粒弥散程度较大,Gidaspow模型次之,SyamlalO’Brien模型给出的颗粒弥散程度较小。     

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.     

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...     

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。     

非均匀气固流态化系统中颗粒流体相间作用的计算

曳力系数是双流体模型模拟气固两相流动的关键参数.文献中应用的关联式都基于平均方法,不再适用于模拟快速流态化系统的非均匀流动结构.本文试图阐明非均匀结构对曳力系数的影响,应用改进的能量最小多尺度模型提出一种计算微元体曳力系数的新方法.计算结果表明应用该模型计算出的曳力系数远小于基于平均方法关联式的计算结果,符合实验得出的结论.     

浆态床内固含率轴向分布的数值模拟

采用DBS曳力模型计算气液相间作用,分别采用Gidaspow曳力模型、经Brucato修正的Gidaspow曳力模型和Schiller?Naumann曳力模型计算液固相间作用,忽略气固间的直接作用,对比了浆态床内不同颗粒粒径体系轴向固含率的模拟和实验结果. 结果表明,不同液固相间曳力模型对气含率的预测影响不大;在颗粒粒径较大(140 ?m)的体系中,较低表观气速下气液DBS与液固Schiller?Naumann曳力模型组合模拟的固含率随床高度增加而减小,与实验结果吻合,而其它曳力模型组合的模拟结果较差,轴向分布较均匀;在颗粒粒径较小(35 ?m)的体系中,几种曳力模型组合的模拟结果均与实验结果吻合较好,轴向分布较均匀.     

垂直气固两相流动体系中气固两相之间的协同效应探讨

垂直气固两相流动体系中,气体与颗粒之间的相互作用在一定的颗粒浓度范围内存在协同效应.这种协同效应的表现形式是颗粒群中每个颗粒的平均曳力系数CD与单颗粒曳力系数CDs之比CD/CDs＜1.0,协同效应的大小可以用准数Sy=1/(CD/CDs)描述.气固两相之间产生协同效应的微观机制是颗粒之间存在着团聚,这种颗粒团聚使气固两相流动消耗的能量降低,此时气固两相之间的动量和能量传递以能量消耗为最小的方式进行.     

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.     

一个气固两相流动阻力的新模型

为了解决现有经验气固阻力模型的普适性问题,合理描述颗粒团聚现象对气固阻力的严重影响,从理论分析入手,将传统的CFD方法与系统能量分析方法相结合,建立了计及颗粒团聚效应的气固阻力分析模型.与现有模型相比,新模型不仅合理地描述了气固两相相互作用的物理过程,而且避免了以往采用经验系数所导致的误差和局限性.经循环流化床数值模拟的检验证明,新模型的计算结果与实验数据吻合,从而在稠密气固两相流动的数值模拟中具有相当的优越性.     

垂直气固两相流动系统中颗粒群与气流之间的相互作用

本文对垂直气固两相流动系统中,从初始流态化到气力输送的整个区域内气固两相之间的相互作用规律进行了研究.结果表明,采用气体与颗粒群之间的曳力系数可以定量表征两者之间的能量交换过程.文章并讨论了不同操作条件下气固曳力系数的变化规律,并由此可见两相流系统中出现的不均匀状态(低气速时产生气泡,高气速时颗粒趋于聚集)均可用体系为使气流对颗粒群做功最小而采取的运动形态来解释.     

烟气循环流化床脱硫数值模拟进展及现状分析

介绍了循环流化床半干法烟气脱硫过程气固两相流动和反应特征及其数值模拟方法。对两相流常用的离散颗粒模型、双流体模型的研究进展进行论述,对于四步骤的脱硫模型进行说明,并介绍了耦合流动模型与脱硫模型过程模拟的优缺点。提出对循环流化床脱硫进一步数值模拟的工作重点应集中在颗粒动力学、曳力模型的修正和反应过程细化模拟方面。     

颗粒特性对撞击分离器性能影响的实验与数值研究

颗粒-壁面撞击行为和气固相间作用对撞击分离器的性能具有重要影响。基于玻璃珠及煤粉的单颗粒撞击实验数据建立平均撞击恢复系数模型,采用非球形颗粒曳力模型对平板式撞击分离器的分离性能和气固流动开展数值研究。结果表明,采用基于实验的平均恢复系数模型以及考虑颗粒形状的曳力模型,能够准确地预测撞击式分离器的总分离效率和分级分离效率。颗粒分离过程中,Stokes数较大的颗粒对颗粒-壁面撞击模型比较敏感,Stokes数较小的颗粒对气固曳力模型比较敏感。     

确定性颗粒轨道模型在流化床模拟中的研究进展

随着计算机硬件的发展,基于颗粒尺度模拟稠密气固两相流的颗粒轨道模型发展很快.本文回顾了目前流化床模拟中确定性颗粒轨道模型的研究状况,概述了处理颗粒碰撞的硬球模型、软球模型以及DSMC方法在国内外流化床模拟中的研究成果,评述了颗粒间相互作用处理方法的优缺点以及适用的系统等,指出了确定性颗粒轨道模型发展亟待解决的问题,展望了确定性颗粒轨道模型未来的发展趋势.     

提升管内细长颗粒流化运动的气固多向耦合模型的构建

细长颗粒气固两相流研究已成为气固两相流研究的重点问题之一。而各种细长颗粒在流场中的受力、运动模型构建以及细长颗粒/流场间的耦合关系的构建是细长颗粒两相流数值模拟研究的难点之一。在已经基于刚体动力学原理构建了细长粒子气固两相流单向耦合模型的基础上,结合基于κ-ε模型的球形粒子-流场气固间耦合关联式,并改进细长颗粒间碰撞模型,从而构建了细长颗粒气固两相流动多向耦合数值模拟平台。并且采用此平台对某一实际流化床内的细长粒子气固两相流场进行了数值模拟研究。研究表明,不同时间细长颗粒在流场内的停留位置具有较强的随机性;细长颗粒在流化运动过程中伴随有较明显的取向选择性;细长颗粒的存在会导致当地流场的速度、压强均有较为明显的下降。     

Modeling of drag with the Eulerian approach and EMMS theory for heterogeneous dense gas-solid two-phase flow

Combined with the Eulerian approach, energy minimization multi-scale (EMMS) theory was used to develop a new theoretical model for the drag between the gas and solid phases in dense fluidized systems. The energy minimization was used in the solution procedure as an additional stability condition to close the conservation equations. The model was derived without introducing any empirical factors, so it can be used for more flow conditions in circulating fluidized beds (CFBs) than empirical models, especially for heterogeneous gas-solid two-phase flows that include cluster formation. Non-uniform particle distribution in computational cells, which is usually not described by the differential equations, is also considered in the new drag model. Both the drag values given by the model and simulation results for real systems agree well with experimental data. The results show that the model reasonably describes the interactions between the gas and particle phases in dense flows.     

Experimental validation of the gas-solid flow in the CFB riser

In this paper, an experimental study is performed to investigate the flow structure in a circulating fluidized bed (CFB). The typical core-annulus structure and small amount of back-mixing of particles near the wall of the riser were observed. The axial solid concentration distributions contain a dilute region towards the up-middle zone and a dense region near the bottom and the top exit zones. Furthermore, the solid concentration decreases with the increase of the superficial gas velocity, and increases with the increment of the circulation rate at the same height position. The total pressure drop of the main bed represents a linear relationship with the solid flux rate. In the dense phase zone, the solid concentration increases linearly with the augmentation of the solid flux, however, the change of the solid concentration is slight, even unchangeable at the up zones. In addition, based on the Energy-Minimization Multi-Scale (EMMS) method, a revised drag force model is proposed, which is coupled in the Eulerian two-fluid model for simulating the flow structure in the riser. Numerical results are consistent with the experimental data, which indicate the revised drag force model is very successful in simulating flow structure of the dense gas-solid two-phase flow.