洗涤冷却环内液体冷态流动行为数值模拟

为了研究洗涤冷却环内冷却水流动的情况,借助计算流体力学软件Fluent建立了洗涤冷却环流体冷态流动的数学模型,同时为了验证模型的可靠性,对洗涤冷却环出口处的流动情况进行了实验研究,实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明：因为洗涤冷却环的结构限制,其内部存在多处涡旋区域;内室入水口周向位置处的涡旋运动最为剧烈;受其影响,入水口周向位置的射流孔出口平均速度最小,两入水口之间周向位置的射流孔出口平均流速最大;槽缝出口的平均流速在周向上的分布与射流孔出口平均流速分布相同。     

环形分布器气体的流动及气流均布

采用激光多普勒技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场 ,发现整流环外侧环形通道内存在大量循环气流 ,并呈变质量流动状态 ;整流环内侧环形通道中 ,循环流动基本消失 ,但仍存在较大的脉动速度 ,靠近内环射流孔处气体均匀径向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对均布效果的影响 ,发现通过调整整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在本实验范围内 ,整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

环行分布器气体流动及气流均布

采用激光多普革技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场，发现整流外侧环形通道内存在大量循环气流，并呈变质量流动状态；整流环内侧环形通道中，循环流动基本消失，但仍存在较大的劝速度，造近内环射流孔处气体均匀向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对匀布效果的影响，发现通过高速整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在该实验范围内，整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

幂律流体在Kenics型静态混合器中流动特性分析

为了探究Kenics型静态混合器内扭旋叶片剪切作用对幂律流体流动的影响,利用旋转流变仪测量了浓度为0.5wt%, 0.7wt%, 0.9wt%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液的流变参数,采用数值模拟与实验研究了扭旋叶片作用下幂律流体流动阻力和剪切稀化特性。对流场研究表明,扭旋叶片诱导产生了内流涡旋、绕流涡旋和近壁面涡旋,有效强化了静态混合器内流体流动的剪切作用。受多个纵向涡旋分布的影响,扭旋叶片局域流场中周向45°位置速度最高,周向30°位置涡量与剪切应力最高而黏度最低。径向0.4倍半径位置速度最高,0.7倍半径位置黏度最高。静态混合器有效提高了流体的二次流流动速度和剪切应力,降低了幂律流体的黏度和流动阻力系数。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口,形成三维凹壁面切向射流,以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理,利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性,并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明,示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加,流向扩展率为0.019～0.033,展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下,入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋,但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值,展向无明显波动。入口周向180°范围内,未发现二次流涡旋,沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1,未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口，形成三维凹壁面切向射流，以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理，利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性，并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明，示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加，流向扩展率为0.019～0.033，展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下，入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋，但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值，展向无明显波动。入口周向180°范围内，未发现二次流涡旋，沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1，未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

垂直降膜、鼓泡流动特性与传热机理研究进展

目前对于煤气化技术中洗涤冷却室内喷淋床的垂直降膜液膜波动特性以及鼓泡床中气体穿越液池过程的流动机理尚不清晰,本研究详细阐述洗涤冷却环进水口方式、液相雷诺数Re_l、气相雷诺数Re_g、下降管高度和管径等因素对垂直降膜中轴、周向液膜厚度、速度分布以及传热传质特性的影响机理。另外对鼓泡床中气体穿越液池过程的研究现状进行综述,尤其是气液夹带理论、气泡形成理论、气体负浮力射流理论、内构件破泡板的结构以及液相物性对气含率的影响理论和两相及多相流理论等。最后对洗涤冷却室内未来的可行性研究进行展望,为工业上气化工艺的合理实施以及能源利用提供参考性建议。     

洗涤冷却管出口处的射流深度和界面波动特性

采用压差传感器和高清摄像仪对洗涤冷却管出口处射流深度和洗涤冷却室内气液界面波动特性进行了冷模实验研究,研究发现,随着表观气速的增大,射流深度呈指数式增大,由此提出了主流射流深度与洗涤冷却管出口处动量通量的经验式,其最大射流深度可达2.51 cm,同时采用VOF模型和RNG κ-ε 湍流模型对其进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果还表明,洗涤冷却管出口处液面波动对床层内气液两相环流脉动的影响较为显著。     

洗涤冷却室垂直环隙空间内液相流动结构的研究

在与工业气化炉几何相似的洗涤冷却冷态模拟装置内,借助双头电导探针和皮托管-差压变送器,测量了环隙空间的气含率及内轴向和切向的液相速度分布,对洗涤冷却室内的液相流动结构进行研究。结果表明：下降管出口及破泡板下方轴向液速呈现近下降管外壁向下流动,液池内壁向上流动的结构,液相转折点分别为 r/R=0.7和r/R=0.6;破泡器的存在使轴向液速呈抛物线分布;切向速度相比轴向速度较小,在-0.15~0.1 m/s范围内波动;不同表观气速下的液相速度分布具有相似性,随着表观气速的增加,液相速度增大;通过对h=523 mm处液相速度分布的归一化处理,得到U_z/U_c模型关联式;经检验,环隙中心速度随塔径和表观气速的变化可近似用Nottenkaemper关联式描述。     

跳汰机供水均匀性的数值模拟研究

为提高跳汰机选煤时供水的均匀性,利用计算流体力学软件对跳汰机筛下水管各出口流量随入水压力的变化进行研究;结果表明:跳汰机供水管各出口开孔面积相同、进水压力一定时各出口流量并不均匀,流量差值随着进水压力的增加而增加,这对跳汰机均匀给水是不利的;在相同入水压力下,跳汰机供水管出口位置距离入水口越远,出口处的流量越大;跳汰机供水管各相邻出口之间流量的比值不随进水压力增加而改变。     

电镀制备金刚石线锯时扫砂管喷砂口流速的仿真分析与实验研究

针对电镀金刚石线锯的过程中采用一端进液扫砂管时上砂槽内沉砂、上砂不均等现象,设计了中间进液扫砂管,并在1.40 m/s和1.80 m/s的入口流速下对两种扫砂管进行了流场仿真分析及实验研究。结果表明,两种结构扫砂管的仿真分析与实验结果都比较吻合。在研究的入口流速下,一端进液扫砂管上距离入水口最远的喷砂口的流速最大,随着喷砂口与入口距离的减小,流速逐渐减小;中间进液扫砂管左右两端喷砂口的流速最大,入水口两侧的流速大致对称分布。中间进液扫砂管在上砂槽内的搅拌效果优于一端进液扫砂管。     

双层撞击流混合器浓度时间序列的多重分形分析

利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对双层撞击流混合器的浓度场进行了实验测量,获得了不同径向位置处的浓度时间序列,通过多重分形去趋势波动方法(MF-DFA)研究了浓度时间序列中的多重分形特性,得到不同喷嘴间距和射流雷诺数下的多重分形谱,实现了流场特性的定量表征。结果表明,随着喷嘴间距增大,浓度时间序列的奇异性减弱,随着射流雷诺数增大,浓度时间序列的奇异性增强,喷嘴间距对浓度时间序列奇异性的影响比射流雷诺数更为显著。浓度信号的奇异性越强,流体粒子脉动越剧烈,混合效果越强,喷嘴间距对混合的促进作用大于射流雷诺数。通过分析多重分形谱参数(Δα, αmin, α0)随径向位置的变化规律得出了流型的转变区域,并将双层撞击流混合器由撞击中心处向下分为二次撞击区、涡旋区、一次撞击区。浓度信号的奇异性二次撞击区>一次撞击区>涡旋区,对混合的促进作用二次撞击区>一次撞击区>涡旋区。研究结果为更深入地揭示撞击流混合器内部流动模式和撞击流复杂无序的流动机理提供了理论依据。     

含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明：以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。     

射流式涡发生器强化矩形螺旋通道内流体换热机理

提出利用射流式涡流发生器(JVG)强化螺旋通道内流体的换热。采用三维激光多普勒测速仪(LDV)测量了曲率为0.134并安装了JVG的矩形截面螺旋通道内流体的流动特性,实验结果与数值模拟结果吻合较好。获得了安装JVG的螺旋通道内复合二次涡旋的演变规律以及射流在螺旋通道内的衰减过程。结果表明,射流的冲击和卷吸作用改变了单一螺旋通道内背离壁面(common-flow-up, CFU)结构的离心二次涡旋,在射流的起始段形成了一对冲向壁面(common-flow-down, CFD)结构的二次涡旋。随着流动的发展,CFD涡旋经历了快速形成、缓慢分解并逐渐耗散的过程。射流速比ε_j在1.48～4.02范围内时,射流在螺旋通道内沿主流方向的作用距离可达40d_h～74d_h(d_h为螺旋通道当量直径)。射流提高了通道换热壁面附近处速度场与温度场的协同性,实现了换热强化。研究范围内,换热壁面平均Nusselt数的最大值相对于单一螺旋通道提高了28%～248%。     

含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明:以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。     

新型洗涤冷却室内气液两相的分布特性

采用双头电导探针法对新型洗涤冷却室环隙鼓泡床内气液两相的局部气含率、气泡直径等分布规律进行了实验研究,并用Fluent商业软件对床层内气含率分布进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明：新型洗涤冷却室内部构件对环隙鼓泡床内气液两相的分布特性影响显著,气相分布更加均匀,液面波动更趋平稳,有效地减少了气体带水问题,相比国外技术具有更好的操作弹性。     

平行流列管反应器环形流道流体特性研究

针对列管式固定床反应器,开展环形流道流体流动特性分析,为反应器设计提供参考。建立环形流道液体流动空间数值模型,模拟反应器内湍流稳态流动特性。通过残差过程分析,合理设置计算参数与网格密度,检验数值模拟的收敛性。分析液体流速分布,合理设置环形流道内壁调节孔;分析液体压强分布,确定不利受压部位。研究结果表明,环形流道内液体不均匀流动,宜设置变截面调节孔,改善流速分布;进口处液体压力较大,为环形流道设计重点部位,宜在内壁合理位置设置调节孔,改善压力分布,为反应器设计提供参考。     

带芯管的管式反应器中流体力学的实验研究

本文以电石法聚氯乙烯生产流程中的转化器为背景,提出在转化器列管内加入芯管的改进方案,改变管内物料的流动状态及温度分布,以提高反应器的生产能力。通过实验测量反应器入口与各出口流速及压差,计算出空气在其中流动时夹层及开孔处的阻力系数。实验表明在相同的入口流量下,空气进入夹层,分别从芯管和夹层同时流出时,芯管开孔直径越大,芯管与夹层的出口流量比增大;在相同的孔径的条件下,随着入口流量的增加,夹层和芯管的出口流量差值减小。并根据实验数据拟合了空气流经开孔的阻力系数公式。     

空气钻井环空气固两相流三维数值模拟

应用CFD软件对空气钻井环空气固两相流动进行数值模拟研究。模拟结果显示,不同入口速度条件下,压强分布的趋势基本一致,气体入口速度越大,压强速率变化越快;在斜井中,空气和岩屑的速度分布并不均匀,环空区域明显大于近壁面区域,最大流速发生在井筒环空区域上部,当气体流速与岩屑速度接近时,携岩效果并不理想;井筒内岩屑浓度的分布并不相同,环空区域岩屑的平均浓度明显大于近壁面处。     

洗涤冷却管内垂直降膜流动特性

采用双平行电导探针对多喷嘴煤气化过程中洗涤冷却管内垂直降膜的液膜厚度分布进行了实验研究,研究发现,经洗涤冷却水分布环分配后在洗涤冷却管内形成的液膜在进口段200～400 mm处呈明显的不均匀分布,液膜厚度差值高达3 mm。流动方向上的液膜波动变化与平均液膜厚度变化相似,但具有滞后性。研究还表明,在2.4～14 m³·h^-1的进水流量范围内,整体液膜厚度随着流量的增大而增大,由此对洗涤冷却管内液膜充分发展区的平均液膜厚度建立了经验关联式。实验还发现,洗涤冷却水分布环的槽缝宽度对液膜分布影响显著,在本文研究条件下,最佳槽缝宽度为3 mm,槽缝宽度继续增大,液膜的均匀性下降。另外,随着气相表观速度的增大,整体液膜厚度减小,但一定程度上改善了液膜分布的均匀性。