粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

基于气体分子动理学和颗粒动理学理论,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,建立粗糙颗粒动理学。采用Chapman-Enskog颗粒速度分布函数,提出了颗粒相应力、热通量和颗粒碰撞能量耗散计算模型。采用欧拉-欧拉气固双相流模型,数值模拟鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性。模拟结果得到了床内颗粒相速度和脉动速度分布,与Yuu等实验结果相吻合。分析不同的切向弹性恢复系数对颗粒相拟总温的变化规律,结果表明在低颗粒浓度时颗粒拟总温随切向弹性恢复系数而增加。     

加压条件下气固喷射器输送特性的三维数值模拟

利用Lagrangian和Eulerian法相结合的三维数值模拟技术,对影响收缩型气固喷射器的输送特性的关键因素进行数值模拟研究,数值模型中考虑了气固两相的相互耦合作用.模拟研究结果表明,气固喷射器内的固体颗粒轴向平均速度随收缩段的收缩角减小而增大,当收缩角小于一定值后,收缩角对喷射器内的固体颗粒速度以及气固两相流的混合的影响甚微.此外,收缩段的收缩角和驱动气体入口风速对收缩型气固喷射器内的静压分布也均有一定的影响.     

SLC-S分解炉增加物料进口时气固两相流场的数值模拟

以SLC-S分解炉为基准模型,新增一个物料进口,分别对两物料进口在不同的相对位置时的气固两相流场进行了数值模拟.对连续相、颗粒相的计算分别采用k-ε双方程湍流模型和离散相模型,对离散相与湍流之间的相互作用采用随机跟踪模型.模拟所得的气流场分布规律与模型实测结果吻合较好,而且所预测的固、气停留时间以及固气停留时间比值与模型实验预测值相一致.对结构进行优化的模拟结果表明:当两物料进口之间的水平投影夹角大于或等于135°时,尤其是在157.5°时,物料在分解炉内的分散状况皆良好,物料停留时间的绝对值和固气停留时间比值皆很高,为适宜的夹角范围.     

基于粗糙颗粒动理学流化床内颗粒与幂律流体两相流动特性的数值模拟研究

在颗粒动理学理论（KTGF）的基础上,通过引入表征粗糙颗粒摩擦和切向非弹性的切向弹性恢复系数β,以及综合反映颗粒平动和旋转运动脉动强度的颗粒拟总温e₀,结合输运理论建立了考虑颗粒旋转作用的颗粒相质量、动量和颗粒拟总温守恒方程。并在求解了同时具有平动和旋转运动的能量耗散和颗粒相应力等参数的前提下提出了颗粒相压力、剪切黏度和能量耗散等本构关系式以及边界条件,最终得出了粗糙颗粒动理学理论（KTRS）。通过改变液相的流变特性,分析了幂律流变模型中流动指数n和稠度系数K_l对流化床内流固两相流动特性的影响,模拟结果表明：随着流动指数和稠度系数的增大,液相湍动能耗散率逐渐增大,而颗粒相压力逐渐减小,颗粒旋转先增大后减小。     

径向移动床气固流动特性数值模拟

应用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对矩形与楔形结构径向移动床内气固两相流动规律进行数值模拟。考察了床型结构、料封高度等关键结构参数对径向移动床内气固两相流场分布的影响。通过优化移动床关键结构参数,改善径向移动床中出现的贴壁、空腔问题。结果表明,模拟结果与相应工况下的实验数据吻合较好,模型可以定性描述径向移动床内气固两相流动规律。楔形结构不但能够提高贴壁临界气速,减小贴壁区域厚度,缓解贴壁现象;而且能够有效减小窜气量,明显提高临界空腔气速,避免或者缓解空腔现象。料封高度是影响空腔现象形成的关键性因素之一,适当增加料封高度可以有效消除空腔现象,提高装置操作弹性和操作稳定性。     

超短接触旋流反应器混合腔内气固混合特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对超短接触旋流反应器内的气固两相流场进行了数值模拟,主要研究了混合腔内固相的体积分数分布情况。计算结果表明：混合腔内的气流在切向进气的作用下得到了一定的混合加速效果,切向的高速射流有效地缩短了气固停留时间,保证短接触反应效果。通过对两种不同混合腔结构反应器的对比计算发现,在相同入口速度条件下结构2（切向进气管位于混合腔顶部）较结构1（切向进气管位于混合腔下部）气固停留时间短,由于切向气流的迅速作用,增加了混合腔内的湍动强度,使催化剂颗粒迅速有效扩散、增强气固接触效果而更有利于催化裂化反应的进行,更易实现短接触操作要求。计算结果与实验测量结果的比较表明模型能有效地描述超短接触旋流反应器内气固两相流动形态。     

窄筛分颗粒气固流态化特性数值模拟研究

为更好地指导工业生产,了解不同粒径颗粒在气固流化床中的状态以及流化床中颗粒分布情况,针对气固流化床中窄筛分颗粒流态化特性进行数值模拟研究。通过流场模拟软件分析在相同流化床中不同粒径段的颗粒(46～80、106～113、185～221μm)和不同流化床进气速度条件下所能达到的体积分数和流化床层高度以及达到这一指标所需时间,并采用欧拉-欧拉模型和SIMPLE算法计算不同气速条件下的颗粒体积分数、速度分布。结果表明,在相同气速条件下,颗粒粒径增大,导致流化床内颗粒体积分数最高点与最低点的差距变大,颗粒分布不均匀性增加,同时床层整体高度下降,床层内颗粒密度上升,颗粒体积分数下降,流化效果降低;相同颗粒粒径情况下,增加气速可降低流化床内部颗粒的体积分数,增加气体与固体颗粒的接触面积,增强流化效果,但减少了流化床内部颗粒速度矢量分布达到均匀的时间,颗粒分布不均匀性更加明显。     

考虑颗粒旋转的颗粒动力学模拟提升管气固两相流动特性

流化床内颗粒旋转会影响颗粒相的流动特性,目前在流化床数值模拟中普遍采用的颗粒动力学模型却没有考虑颗粒的旋转效应。今运用基于颗粒动力学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,提出了考虑颗粒旋转效应的颗粒动力学模型以及颗粒相守恒方程,数值模拟提升管内气体颗粒两相流动特性。计算结果表明提升管内中心区域为低浓度-高速的颗粒上升流动、壁面区域为高浓度-低速的颗粒下降流动。分析了颗粒粗糙度系数对颗粒相能量耗散、颗粒平动温度和黏度的影响。随着颗粒粗糙度系数的增加,颗粒碰撞能量耗散先逐渐增加后减小。颗粒平动温度和黏度的变化趋势是相反的,表明颗粒旋转产生摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响提升管内气体-颗粒两相宏观流动特性。     

基于颗粒流运动论的喷动流化床气固流动行为三维模拟

1 INTRODUCTION Spout-fluid beds have been of increasing interest in the petrochemical, chemical and metallurgic indus-tries since spout-fluid beds can reduce some of the limitations of both spouting and fluidization by su-perimposing the two type of systems[1―4]. In recent years, spout-fluid beds have become an alternative for gas/solid contactors in coal gasification. Spout-fluid bed coal gasifiers have been adopted for APFBC-CC (advanced pressurized fluidized bed combus-tion-combined…     

双层喷嘴提升管进料区内气固流动特性的数值模拟

为了改善催化裂化工艺的产品分布,提出了一种双层喷嘴提升管进料方案,即在原有喷嘴层下方加设2个对称的“副喷嘴”,目前尚缺少此类双层喷嘴结构提升管内气固流动特性的研究。采用能量最小化方法考虑介尺度非均匀结构的影响,气固相间曳力采用EMMS曳力模型,采用了适用于模拟提升管内油剂混合和流动规律的数学模型。为保证模拟的准确性,确定了适宜的颗粒与壁面间镜面反射系数。主副喷嘴间距为0.5 m,同时改变主副喷嘴进料方向,形成了4种组合结构,即down?down结构、down?up结构、up?down结构和up?up结构。通过比较双层喷嘴与单层喷嘴提升管进料段内油剂混合和流动特性发现,双层喷嘴结构对提升管进料区气固流动的影响较大,尤其对于主喷嘴向上的传统进料结构,副喷嘴射流能加快气固两相达到均匀稳定。副喷嘴射流会加剧进料区副喷嘴以上高度处固含率分布的不均匀程度。当主喷嘴向下时,单层喷嘴down结构具有较小的平均停留时间和停留时间分布的离散程度,当主喷嘴向上时,双层喷嘴up?up结构的平均停留时间和离散程度最小,表明两种结构能使油剂在较短的接触时间内实现强混合,同时抑制目标产品继续裂解,降低生焦量。     

Computational Study of Impingement Jet Drying of Seeds Using Superheated Steam Based on Kinetic Theory of Granular Flow

A Eulerian model including the kinetic theory of granular flow (KTGF) and mass transfer in the period of saturated wet surface has been developed to simulate continuous drying of particulate solids using superheated steam in a radial impingement jet system. When applying this type of drying processes, the preliminary results obtained show good predictive ability of the Eulerian modeling based on KTGF. It is concluded that the present study and other works of modeling can be used to study the dynamics and control of this drying process and thus would facilitate the equipment design and scaling.     

循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展

对循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展进行介绍,包括传统的欧拉双流体模型、基于颗粒动力学理论的双流体模型、基于拉格朗日坐标系下的颗粒轨道模型、能量最小多尺度模型和小室模型,并对上述模型的原理、发展和优缺点进行了描述。     

提升管内气固双流体模型的计算模拟

对提升管内气固流动行为建立了k–e–kp–ep–Q 双流体模型. 利用计算软件CFX模拟了内径0. 418 m、高18 m 的提升管内的冷态气固两相流动. 模拟结果与实验数据吻合较好.     

Flow behaviors of a large spout-fluid bed at high pressure and temperature by 3D simulation with kinetic theory of granular flow

Flow behaviors of a large spout-fluid bed (I.D. 1.0 m) at high pressure and temperature were investigated by Eulerian simulation. The gas phase was modeled with k − ε turbulent model and the particle phase was modeled with kinetic theory of granular flow. The development of an internal jet, gas-solid flow patterns, particle concentrations, particle velocities and jet penetration depths at high pressure and temperature at different operating conditions were simulated. The results show that the bed operated at an initial bed height larger than the maximum spoutable bed height resembles the flow patterns of jetting fluidized beds. The radial profiles of particle velocities and concentrations at high temperature and pressure have the similar characteristic shapes to those at ambient pressure and temperature. The particle concentrations and velocities appear to depend on the bed heights when increasing pressure while keeping the gas velocities and temperature constant. The particle velocities in the lower region of the bed increase with increasing pressure, while they tend to decrease in the middle and upper regions of the bed. The particle concentrations have an opposite dependency with increasing pressure. They decrease in the lower region of the bed but increase in the middle and upper regions of the bed. Besides, the jet penetration depths are found to increase with increasing pressure.     

矩形错流移动床稠密气固两相流的实验和模拟

在实验基础上,采用欧拉双流体模型对矩形错流移动床中稠密气固两相流动进行了模拟,分析了矩形错流移动床的空腔、贴壁、两相速度、气相停留时间、压降等. 结果表明,气固两相流动受端部效应影响. 随表观气速增大,贴壁(约0.19 m/s)和空腔(约0.31 m/s)现象出现. 空腔随时间发生变化,而贴壁为渐进型,气速与空腔和贴壁的形状有关. 气速分布、空腔和贴壁使压降沿轴向呈反C形分布. 进料影响区、主体流动区和下料影响区压降比约为6:10:9. 随表观气速增大,气相停留时间减小,空腔尺寸增大,贴壁厚度先增大后不变,压降增大;而颗粒循环强度的影响不大     

循环硫化床上升管中动态行为的拟流体模拟

The kinetic theory of granular flow (KTGF) is modified to fit the Einstein′s equation for effective viscosity of dilute flow. A pseudo-fluid approach based on this modified KTGF is used to simulate the dynamic formation and dissipation of clusters in a circulating fluidized bed riser. The agglomeration of particles reduces slip velocity within particle clusters, and hence results in two reverse trends: discrete particles are lifted by air while particle clusters fall down along the wall. The dynamic equilibrium of these two types of motion leads to the characteristic sigmoid profile of solid concentration along the longitudinal direction. The predicted solid velocity, lateral and longitudinal profiles of solid volume fraction and annulus thickness are in reasonable agreement with experimental results.     

水平管气力输送的数值模拟研究

对气体相湍动能采用修正的k-ε二方程模型,颗粒相湍动动能采用颗粒动力学方法,考虑两相间的相互作用,发展建立了水平管气力输送的数学物理模型和计算方法.该模型能计算颗粒相压力、粘性系数、扩散系数、导热系数、颗粒温度等流体力学特性参数.用文献实验得到的压降和转捩速度验证了所建模型和计算方法的正确性.就水平管中圆柱坐标系下典型的三维悬浮气力输送过程进行了初步数值研究,得到了管道沿程压降、平均气体速度、平均颗粒速度和平均颗粒浓度的变化、以及输送方向上不同截面处的颗粒浓度分布.结果表明:在给定的输送条件下,颗粒在管中并不总是维持同样的悬浮状态,在入口和快速加速度段,悬浮颗粒易集中于管中心区域,从加速段到恒速段,悬浮颗粒逐渐向管底沉降;颗粒浓度在管截面上有两种分布状态.为进一步利用该法研究气力输送打下了基础.     

水平管加压密相煤粉气力输送数值模拟

针对加压密相气力输送,对现有的颗粒静摩擦力模型进行适当修正,并将其与颗粒动理学理论相结合,建立了可以描述加压密相气力输送的气固湍流流动状况的多相流模型。该模型充分考虑了颗粒间碰撞和摩擦力作用,以及气相和颗粒团湍流脉动之间的相互作用。采用该模型对水平管内加压密相气力输送进行了三维数值模拟研究,模拟得到了气相和固相的速度、浓度和湍流强度分布,以及压降梯度的变化规律,再现了颗粒沉积层的形成和运动的动态过程。并进行了加压密相煤粉气力输送试验研究,预测的压降梯度与试验测量结果相符合。     

一种新型气固分离器内两相流动的数值模拟

采用数值模拟的方法对带有切向开缝中心管式气固分离器的气固两相流进行了研究.计算中对气相采用了雷诺应力模型,对颗粒相采用了Lagrange坐标系下的随机轨道模型.结果表明:气相流场总体特征为拱形空间内气流以切向速度为主绕排气管做旋转运动,切向气速随径向位置的增加而减小.大部分气体通过开缝进入中心排气管而从中心管排出,少部分气体由排气管下方空间返回入口区.颗粒相的引入对气相流场有显著的影响,分离器拱形空间内同一径向位置的气体切向速度明显降低.颗粒由于自身惯性向边壁运动的趋势改变了气相流场分布,使气体更易向中心管内运动,从而达到较高的分离效率.计算得到的分离效率与实测值吻合较好,证明了数学模型的合理性,为进一步优化分离器结构提供了可靠依据.     

Numerical Simulation on Gas-Solid Two-Phase Turbulent Flow in FCC Riser Reactors (I) Turbulent Gas-Solid Flow-Reaction Model

Gas-solid two-phase turbulent flows, mass transfer, heat transfer and catalytic cracking reactions are known to exert interrelated influences in commercial fluid catalytic cracking(FCC) riser reactors.In the present paper, a three-dimensional turbulent gas-solid two-phase flow-reaction model for FCC riser reactors was developed. The model took into account the gas- solid two-phase turbulent flows, inter-phase heat transfer, mass transfer, catalytic cracking reactions and their nterrelated influence. The k-V-kp two-phase turbulence model was employed and modified for the two-phase turbulent flow patterns with relatively high particle concentration. Boundary conditions for the flow-reaction model were given. Related numerical algorithm was formed and a numerical code was drawn up. Numerical modeling for commercial FCC riser reactors could be carried out with the presented model.