基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

基于DEM模拟气固鼓泡床中颗粒碰撞参数对流场间歇性的影响

采用计算流体力学和离散元(CFD-DEM)方法研究鼓泡床内的气固流动状态, 考察了颗粒弹性系数和恢复系数对流场间歇性的影响, 并利用小波变化分析方法分析了颗粒弹性系数和恢复系数对流场相干结构的影响。研究结果表明:颗粒弹性系数和恢复系数对颗粒速度脉动能、床层平均高度、平坦因子以及流场间歇性有一定影响。随着颗粒弹性系数取值的变大, 高频区能量和平坦因子先降低后增加, 床层高度先增加后降低, 流场间歇性先减弱后增强;颗粒恢复系数取值越大, 高频区能量和平坦因子越低, 床层高度越大, 流场间歇性越弱。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2～4之间。     

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。     

气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产,而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中,它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响,是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型;本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟,在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体,同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明,结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性,同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用,对模拟结果影响显著。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明:采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明：采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律. 数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述. 给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率. 数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.     

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。     

沉浸管式流化床的颗粒尺度模拟

为模拟具有复杂几何结构的气固流动系统,文中将计算流体力学和离散单元法与边界元方法结合起来,对沉浸管式流化床内颗粒及气泡的运动行为进行了数值模拟。模拟计算得到的瞬态流型图揭示了气泡绕流沉浸管束时出现的合并和破碎状态及颗粒群的详细运动行为,发现床内气固二相的流动受到沉浸管束存在的显著影响。当颗粒及气相的流动受到沉浸管的阻碍而绕管流动过程中气泡会发生变形,变得扭曲狭长且易被撕碎。同时颗粒与管道壁面碰撞会造成气固二相复杂的动态运动形式,床内的管道大部分时间会被气穴包围,将严重阻碍管道与颗粒之间的传热。     

竖直管气固鼓泡流化床传热机理的CPFD模拟

针对细颗粒气固鼓泡流化床中床料与竖直传热管壁面间的传热行为,在前期实验的基础上,采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法从颗粒在传热壁面更新的角度,深入分析了传热特性与壁面气固流动行为之间的关联性。结果表明,模拟得到的传热管壁面颗粒更新通量和基于颗粒团更新模型的颗粒团平均停留时间均能很好解释实验测得的传热系数变化规律,这证实颗粒团更新是影响传热过程的控制性因素。模拟还发现随加热管从床层中心向边壁的移动,加热管周向方向上颗粒更新通量和传热系数的不均匀性都呈增大趋势。随着表观气速的增大,气泡行为导致床层颗粒内循环流率增大,这是导致颗粒团在加热管壁面上的更新频率增大以及床层与壁面间传热系数增大的根源。     

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。     

三维单旋导向挡板鼓泡流化床内气固流动的CPFD模拟

单旋导向挡板是一种广泛应用于流化床反应器中的横向内构件,研究其对鼓泡流化床内气固流动的影响具有重要意义.采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法耦合Igci曳力模型研究带有两层单旋导向挡板的鼓泡流化床内的三维气固流动,并与空筒鼓泡流化床作对比.首先将轴向和径向时均固含率分布的模拟结果和实验数据进行对比,验证了该计算方法的可...     

提升管内气固流动行为的数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent,对空气为连续相、固相为催化裂化反应催化剂的循环流化床提升管内的气固流动行为进行模拟。采用用户自定义函数引入颗粒与壁面的恢复系数和颗粒的镜面反射系数,对颗粒在边壁处的部分滑移运动进行描述。采用不同的计算动力学模型及参数,数值模拟了径向颗粒浓度、轴向床层压降的空间分布,以及用以描述颗粒脉动动能的颗粒温度与固含率的关系,并与文献报道的实验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明,选取的颗粒动力学理论模型及参数、颗粒部分滑移边界条件及气固曳力模型,可计算得到合理的颗粒轴向及径向分布,验证了提升管中存在典型的径向环核流动结构和轴向压降分布。进一步分析表明固含率显著影响颗粒温度,当固含率为0.05~0.1,颗粒温度存在转折区。     

二维导流管喷动床离散颗粒动力学模拟

采用离散单元法(DEM)-计算流体力学(CFD)双向耦合数值方法对二维导流管喷动床进行了模拟,颗粒的运动通过DEM模型描述,而气体的运动用Navier-Stokes方程进行求解,气体和固体颗粒之间的相互作用通过曳力形式传递。文中将DEM和边界元方法(BEM)结合起来解决颗粒在具有复杂边界设备内的运动。通过采用BEM+DEM-CFD相结合的方法进行模拟计算,得到了喷动床的最小喷动速度,研究了不同表观气速下床内的流型,得到了二维导流管喷动床的床层压降与表观气速的关系,统计分析了喷射区、环隙区内颗粒的运动速度和相应的空隙率,全面地描述了二维导流管喷动床内的气固流动特征。     

不同入口结构下行床内气固流动及混合行为的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学和离散单元模型（CFD-DEM）耦合一种简单的气固催化反应模型对具有不同入口结构的二维下行床内的气粒流动和混合行为进行全床数值模拟。模拟得到了不同入口结构下行床内的多尺度气固运动状态、全床的固含、速度及反应生成物浓度分布,以及气体和颗粒在下行床内的停留时间分布,发现入口结构对反应器内的流动、混合和气固接触效率起着关键性的作用,入口气体和颗粒的不均匀分布将导致下行床内气体停留时间的宽分布以及气固接触效果的恶劣。     

工业废油异构旋流三相分离装置去固结构及优化

工业废油脱水去固处理是其资源化工艺的重要环节,为高效地去除废油乳化液中的水和固体颗粒杂质,提出一种能够实现油-水-固相高效分离的异构旋流三相分离装置。装置结构及其参数是影响油-水-固三相分离效率的关键因素。于是,通过耦合多相流控制方程、群体平衡和稀疏颗粒条件下的颗粒追踪方程,忽略颗粒对整体质量守恒和动量守恒的影响,建立了异构旋流三相分离数值模型,通过模型考察了分离装置去固段结构对去固脱水效率的影响,并进一步优化了分离装置去固段的结构参数。计算与实验结果表明：装置去固段结构的变化会显著影响异构旋流三相分离装置的去固性能,对脱水率的影响不明显;最佳底流管、去固管和侧流管直径分别为6、15和6 mm时,装置侧流口的固体颗粒回收率和脱油率同时达到最高,可达87%以上,为设计研制高性能工业废油资源化装置提供理论和技术支撑。     

A类颗粒流化床特性的DEM-CFD模拟

采用离散元方法-计算流体力学(DEM-CFD)对耦合边界下A类颗粒流化床特性进行模拟。讨论了在床底的表观速度取决于流场情况下,不同进口流速时该类颗粒的流化状态。分析了流动与颗粒运动的相互作用,及其对最小流化速度和最小气泡速度的影响。发现与均匀床底的表观速度相比,当床底的流动速度取决于流动与颗粒运动耦合时,床体的稳定性变差,床底的速度分布呈现不均匀,局部更早出现气泡,并沿着该位置的轴向向床顶面发展,形成沟流,而此时其它部位会产生死区。     

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。