基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度（energy-minimization multi-scale,EMMS）方法已经被应用于气液体系中群平衡（population balance model,PBM）模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s^-1和0.25 m·s^-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。     

鼓泡床内气泡-液体两相湍流代数应力模型的数值模拟

现有的气泡 -液体两相流动的数值模拟中 ,或者不考虑湍流 ,或者仅仅考虑液体湍流 ,但是直接模拟和PIV测量结果都表明气泡由于尾迹的作用有强烈的湍流脉动 .本文首次推导和封闭了同时模拟气泡湍流脉动和液体湍流脉动的二阶矩输运方程两相湍流模型 ,并在此基础上建立了代数应力气泡 -液体两相湍流模型 .用代数应力模型模拟了二维矩形断面鼓泡床内气泡 -液体两相流动 .预报结果给出了气泡和液体两相速度场、两相Reynolds应力及湍动能分布和气泡体积分数分布 .模拟结果与PIV测量结果符合很好 ,表明了模型的合理性 .研究结果表明 ,原先静止的液体在气泡因浮力而产生的上升运动的作用下产生回流流动 ,而气泡则只有上升运动 .气泡速度始终大于液体速度 .在床内气泡湍流脉动确实始终很强烈 .液体则由于气泡的作用以及自身速度梯度产生的双重作用而发生湍流脉动 .气泡的脉动显著地大于液体的脉动 .两相湍流脉动都是各向异性的 ,而且气泡湍流脉动的各向异性比液体的更强烈     

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度(energy-minimization multi-scale,EMMS)方法已经被应用于气液体系中群平衡(population balance model,PBM)模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s~(-1)和0.25 m·s~(-1)时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。     

不同固相黏度模型对鼓泡床气泡行为的数值模拟

基于双流体模型,应用Fluent软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气泡行为进行数值模拟。采用常固相黏度模型(CPV)和基于颗粒动理学的固相黏度模型(KTGF),通过计算气泡的形成、气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度对不同模型进行比较研究,其中编程实现了KTGF模型中的Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型模块。通过与文献中的实验数据进行对比发现KTGF模型普遍优于CPV模型,其中Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型的模拟值最接近实验数据。     

大涡模拟方法模拟鼓泡床内气固两相流动

采用大涡模拟（LES）方法模拟气相湍流,颗粒动理学方法考虑颗粒相碰撞产生的动量和能量传递和耗散,采用颗粒相大涡模拟方法（LESp）模拟颗粒脉动导致的能量耗散,同时考虑介观尺度对颗粒相压力的影响,建立了气体-颗粒LES-θ-LESp双流体模型,研究鼓泡流化床内气固两相流动的特性。数值模拟与文献实测颗粒速度和实测颗粒浓度结果具有相同的变化趋势。     

鼓泡床反应器流动特性的CFD研究进展

从计算模型和影响因素2个方面系统综述了鼓泡床反应器内气液两相流CFD的研究进展。介绍了与模型建立相关的多相流模型、湍流模型、相间作用力和气泡尺寸模型的选择和适用情况。总结了表观气速、液相性质、反应器尺寸、分布器和内构件等对反应器流动特性的影响。最后指出了目前存在的不足,并对其发展进行了展望。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构（如气泡）对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的“三传一反”行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体（TFM）传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构(如气泡)对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的"三传一反"行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体(TFM)传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

二维鼓泡床内气泡尺寸分布的实验与CFD模拟

在有机玻璃制成的二维鼓泡床(0.20m×0.02m×2.00m)内,采用摄像法对空气－自来水的气液两相体系的气泡尺寸分布进行了考察。以商业计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,在双流体模型的基础上,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为进行了多相流CFD数值模拟。结果表明 MUSIG(Multiple Size Group)模型实现了对多气泡体系内气泡尺寸分布特性的考察,气泡尺寸分布的模拟结果与实验结果吻合得较好,从而说明了考虑了气泡聚并破碎的MUSIG模型能很好地反映出鼓泡床内气泡尺寸分布特性。     

鼓泡床内气液两相流动的二阶矩模型与代数应力模型的模拟比较

A full second-order moment(FSM) model and an algebraic stress (ASM) two-phase turbulence model are proposed and applied to predict turbulent bubble-liquid flows in a 2D rectangular bubble column.Predication gives the bubble and liquid velocities,bubble volume fraction,bubble and liquid Reynolds stresses and bubble-liquid velocity correlation.For predicted two-phase velocities and bubble volume fraction the is only silight difference between these two models,and the simulation results using both two models are in good agreement with the particle image velocimetry(PIV) measurements.Although the predicted two-phase Reynolds stresses using the FSM are in somewhat better agreement with the PIV measurements than those predicted using the ASM,the Reynolds stresses predicted using both two models are in general agreement with the experiments.Therefore,it is suggested to use the ASM two-phase turbulence model in engineering application for saving the computation time.     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟

对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟的表观气速范围为0.02～0.30 m•s^-1; 模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响。液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型,两相间的动量传输仅考虑曳力作用。模拟获得了轴向气/液相速度分布、气含率分布、湍流动能分布以及气泡表面面积密度等,对部分模拟结果与实验值进行了定量比较,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。     

鼓泡床中的气泡尺寸分布

根据气泡聚并和破裂速率模型,提出一个描述鼓泡床中气泡尺寸分布的总体平衡(Population Balance)模型。该模型可预计鼓泡床中气泡尺寸分布随床高的变化。对空气-水体系的模拟结果与实测结果吻合较好。     

加压鼓泡塔反应器中气液两相流CFD数值模拟

对加压气液鼓泡塔反应器内的气液两相流进行了二维数值模拟,模拟的压力为0.5～2.0 MPa,表观气速为0.120～0.312 m/s;模拟采用了Euler-Euler模型,并耦合了气泡群平衡模型（PBM）预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡的影响。液相湍流采用标准k-ε模型,两相间的作用力只考虑曳力。模拟获得了局部气含率、局部气/液相时均轴向速度及其径向分布等数据,并与实验结果进行比较。结果表明,局部气含率、局部气相速度模拟结果与实验结果吻合较好,局部液相速度径向分布特征模拟结果与文献结果相符。     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法（LBM）与离散单元法（DEM）相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明：颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法 (LBM)与离散单元法(DEM)相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明:颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

鼓泡床内气泡直径的分布

气泡的直径分布是决定鼓泡床反应器气液接触面积的重要参数，其轴向分布对鼓泡床反应器的设计和性能优化具有重要意义。喷嘴作为气体分布器的最小单元，对气体分布器的分布性能起决定性因素。本文考察了不同孔径喷嘴对鼓泡床内气泡分散的影响，结果表明，对于在孔口产生的小于最大稳态气泡直径ds的气泡，将稳定存在于床层内，而直径大于ds的气泡，将迅速破碎，最后形成近乎一致的气泡粒度分布，喷嘴的影响距离在21cm左右。