Some aspects on gas-solid flow in a U-bend: Numerical investigation

Pneumatic drying is widely used in many engineering applications. It has been shown in earlier research [Fyhr C. and Rasmuson A., Mathematical model of a pneumatic conveying dryer, AIChE Journal, Vol. 43, pp 2889-2902, 1997.] that the U-bends in the pneumatic conveying dryer system significantly influence drying behavior since they create enhanced slip velocities between suspended material and the drying medium. On one hand, this slip will increase external heat and mass transfer rates, thereby enhancing drying conditions. On the other hand, increasing the number of bends will cause an increase in pressure drop. Use of the suitable mean gas velocity and the suitable bend radius ratio will result in a better design and improved operating conditions.Two-phase CFD calculations, using a Eulerian-Eulerian model and commercial program Fluent 6.0, were employed to calculate the gas and particle flows in a U-bend. Variables studied include: particle diameter, particle density, particle volume fraction, gas velocity and bend radius ratio. The numerical calculations were validated against experimental data from the literature. The density and diameter of particle vary from 600 up to 1000 kg/m³ and from 0.00025 up to 0.001 m, respectively. The gas velocity and particle volume fraction vary from 10 up to 25 m/s and from 0.001 up to 0.01 m³/m³, respectively. The bend radius ratio varies from 3 up to 8 m/m. The slip velocity is affected by all the studied parameters, in particular, particle diameter, gas velocity and bend radius ratio; whereas the total pressure drop is strongly affected by gas velocity and bend radius ratio. A low mean gas velocity will give a lower total pressure drop and longer particle residence time. A small bend radius ratio will produce a faster dispersion of particles, which benefits drying, but on the other hand, will increase the total pressure drop. Thus, optimizing gas velocity and bend radius ratio is important in reducing energy consumption.     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱（PSD）分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

提升管中气固两相流动行为的相似特性

在15.1 m高循环流化床实验装置上对提升管内的轴向压力梯度、局部颗粒浓度和颗粒速度进行了较系统的实验测试,研究了提升管中气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似特性.结果表明,在(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g相近的操作条件下,上行气固两相流充分发展段的颗粒浓度、下降颗粒时均速度、絮状物颗粒浓度和出现频率在空间的分布特征基本相同.对于同一提升管内的同一气固两相流系统,只要表观气速和颗粒循环速率按(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g同步变化,不同操作条件下的上行气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

气固两相流强化传热研究进展

在气流中加入颗粒,形成气固两相流。根据气流速度的不同,气固两相流分为鼓泡流态化、快速流态化、气力输送等形式。不同的流动形态,两相流内颗粒浓度及颗粒的运动规律不同,其传热特点也存在差异。通过回顾几种多相流流态的传热特点,总结了多相流与传热面换热的影响因素、气固两相流的传热机理与模型。气固两相流中颗粒浓度、颗粒运动对其传热起决定性作用,而操作参数（气流速度、床层压力、床层温度等）则主要通过改变颗粒浓度和颗粒运动影响传热。此外,通过气固两相流强化传热的应用实例--气固两相流与填充床的热交换,分析了颗粒在对流换热中所起的作用,并进一步提出了今后研究方向和难点所在。     

多喷嘴射流式分离器内气固流动特性的数值模拟

基于商用软件Fluent 6.3.26,采用雷诺应力模型及DPM离散相模型并结合理论分析,对基于喷嘴造旋的射流式分离器内两相流动特性进行了模拟计算,得到了较为全面的两相流动规律与细节.结果显示,分离器内部切向速度峰值可达160 m·s^-1,自由涡区的切向速度约为130 m·s^-1,旋流强度明显高于传统旋风单管;沿轴向下,下行流流量逐次减少,其中稳流体顶部下行流降低最为明显,下行流减少致使颗粒卷入内旋流概率增加,分离效果下降;分离器内部局部存在顶部贴壁射流、射流区二次流及灰斗口旋涡流等次级流动;分离器压降约为27.43 kPa,喷嘴区内外旋流能耗分别为4.57 kPa(21.8%)、5.76 kPa(27.6%),稳流体区内外旋流能耗分别为5.85 kPa(27.6%)、4.01 kPa(18.9%);分离器对应的切割粒径较小,约为1.6 μm,极限粒径约为10 μm,符合工业应用要求;基于所建颗粒受力模型及模拟条件下,分离空间可分离的临界粒径为1～2 μm,3 μm及以上颗粒的逃逸浓度小于 0.15 g·m^-3,满足下游烟机对气流的净化要求.     

上行气固两相流充分发展段流动行为的相似特性

在10.5 m高气固循环流化床实验装置上,在对提升管内的轴向压力梯度和局部颗粒浓度进行实验测试的基础上,结合部分文献上的实验数据,研究了上行气固两相流充分发展段在不同操作条件下气固两相流动行为的相似特性.结果表明,所提出的经验相似准则能表征上行气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似性,并且该经验相似准则独立于实验装置系统.对于同一上行气固两相流系统,只要操作参数按该相似准则同步变化,气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

填充床中气体流动与气固反应的相互作用

对界面化学反应和粒内扩散联合控制的气固反应,考虑到反应造成的混合气体质量和密度的变化,研究了填充床中等温条件下的快速气固反应和气体运动的相互作用,建立了相应的数学模型.数值分析表明,按耦合分析和非耦合分析得到的混合气体速度完全不同;忽略反应造成的混合气体密度变化,相当于增加一个额外的源项或汇项,因此当反应气体与惰性气体摩尔质量相差较大时,不能忽略反应造成的混合气体密度变化;按耦合分析和非耦合分析得到的浓度场也有很大差别,反应气体浓度波(物质波)阵面的差别也很大;化学反应明显地阻滞反应气体浓度波的推进;当平均压力降和其他条件相同时,反应器越长波阵面推进的量纲1距离越短;反应活跃区的发展对速度场的影响极大.     

Geldart A类颗粒节涌床气固流动特性的实验及模拟

针对气固节涌床,在实验基础上,基于欧拉?欧拉双流体模型结合颗粒动力学理论,考虑Geldart A类颗粒聚团对气固间曳力的影响,采用修正后的Gidaspow曳力模型对气固节涌床进行数值模拟。结果表明,通过与实验结果及经验公式进行对比,修正的模型可准确合理地模拟流化床内节涌特性。表观气速0.09 m/s≤Ug≤0.39 m/s时,床层内部压力脉动标准偏差随表观气速增加而增加,流型由鼓泡转变为节涌直至节涌程度最大,床内气固流动主要受轴对称栓运动特性影响,床内压降、床层膨胀比、气栓平均上升速度、最大轴对称栓长度随表观气速增加而增加,最大轴对称栓产生位置随表观气速增加而降低;Ug>0.39 m/s后,床内压力脉动标准偏差随表观气速增加而降低,节涌程度降低至向湍动流态化流型转变,床内气固流动主要受壁面栓运动特性影响,增加表观气速,节涌床内压降变化幅度较小,气栓平均上升速度增加幅度加大,床层膨胀比及最大轴对称栓长度降低,最大轴对称栓产生的位置略有升高。     

气固流化床中声发射和流动模式关系

颗粒在气固流化床壁面区域（或局部空间区域）碰撞产生的声波能量反映了颗粒的碰撞速度和频率（活跃程度）,从中可以揭示流化床内颗粒的流动混合模式。通过在φ150mm流化床冷模装置中,对聚乙烯颗粒－空气体系进行流态化实验,运用声发射技术测得声能量沿气固流化床的轴向分布,继而获得了颗粒的流动模式,并发现其与颗粒粒径、表观气速和分布板形式密切相关。对于颗粒粒径为460 μm的聚乙烯颗粒,当表观气速在0.3～0.7 m·s^-1内,其对应的流动模式为带有滞留区的双循环流动模式。如果气速增大到0.8 m·s^-1以上时,流动模式将转化为无滞留区的单循环流动模式。而当颗粒平均粒径降为365μm,对应的双循环流动模式蜕化为单循环模式,壁面不存在滞留区。进一步发现,滞留区位置与静床高无关。研究同时发现,颗粒的流动模式和分布板形式密切相关,对于在多孔平板分布板下为单循环流动模式的小粒径颗粒,在锥帽式分布板下,则在稍高气速时表现为双循环流动模式。     

DEM-CFD simulation of the particle dispersion in a gas-solid two-phase flow for a fuel-rich/lean burner

The objective of this study was to numerically investigate the particle dispersion mechanisms in the gas-solid two-phase jet for a fuel-rich/lean burner by means of coupling the discrete element method (DEM) with the computational fluid dynamics (CFD). The DEM was employed to deal with the particle-particle and the particle-wall interaction in the computation of solid flow; while gas flow was computed by CFD based on the commercial software package Fluent. The particles with various Stokes numbers equal to 0.1, 0.5, 1, 2 and 3 (corresponding to particle diameter 10.8, 24.17, 34.18, 48.38 and 59.21 μm, respectively) in the gas-solid fuel-rich/lean jet were investigated in this study. The particle-particle collision was simulated and its effect on the fuel-rich/lean separating performance was evaluated. The results show that the particle-particle collision occurred more frequently with the increasing of Stokes numbers from 0.1 to 3. The particle dispersion became more uniform between the fuel-rich side and the fuel-lean side for particles with small Stokes number; while for particles at St > 1, a better fuel-rich/lean separating performance was achieved. The efficiency of the DEM-CFD coupling method was validated by the corresponding experiments, and a good agreement between the simulation and experiments was achieved as a result of the particle-particle collision.     

气固流化床流型空间图像信息多重分形特征分析

以无色小粒径玻璃珠和空气为实验介质,利用高速摄影系统在气固流化床实验装置上拍摄,并获取到气固流化床5种典型流型的空间图像信息。采用多重分形谱参数分层次地刻画了流型空间信息内部的精细结构,突出了异常局部变化特征,从复杂的流型图像数据中选出具有明显个性特征,与分形盒维数结合表征流型。结果表明,多重分形谱比简单的分形盒维数能提供更多的流型特征的信息,且流型特征的提取结果更符合实际情况,可被有效地用于气固流化床流型识别和运动机理分析的过程中。     

SCX超细分级机进料管内气固两相流数值模拟

以两相流理论为基础,对SCX超细分级机进料管改进后内部的气固两相流动特性进行了数值模拟。分析了气相压力、速度、湍动能和固相颗粒浓度的分布情况,得到了进料管内气固两相的分布规律。结果表明,加入导流片之后,进料管内气相压力、速度、湍动能径向梯度减小,偏流现象减弱;导流片阻碍了固相颗粒的横向运动,改变了颗粒的运动轨迹,使得颗粒浓度分布更加均匀,为后续的分级提供了良好的基础。     

潮湿细煤气流分级机内气固两相流的CFD模拟

以CFD计算软件FLUENT为平台,采用Realizablek-着湍流模型和欧拉-拉格朗日方法的离散相模型对实验室研制的潮湿细煤气流分级机内的空气流场进行数值模拟,得到分级机中流场的气流速度、流场静压、流场湍动能的分布情况,以及不同粒径细粒煤在分级机中的运动轨迹。数值计算结果表明:分级机内多孔层的设置可造成压强和流速阶跃,增强多孔层上方区域的流速,提升气体对细粒煤的携带作用;导流板的设置使入料口到细料出口间出现了较强的流带,有利于细粒煤分离;导流板和倾斜多孔层的设置使分级机内压差最大且湍流较弱,有利于颗粒分散,实现小颗粒与大颗粒的分离,提高分级效率同时也有利于中等粒径团聚体的破碎、分散,但对大粒径团聚体的分裂破坏作用有限。     

不同充气条件下密相输运床返料系统气固流动数值模拟

采用计算颗粒流体力学对密相输运床返料系统内的气固流动行为进行了数值模拟,分析了曳力模型和颗粒最大堆积浓度等参数对模拟结果的影响,确定了合适的模型参数。通过对比3组工况的模拟结果,获得了与实验结果基本一致的立管压力分布和固体循环流率随充气条件的变化规律,并分析了立管内压力梯度分布、气体流动方向、颗粒浓度分布等。结果表明立管充气口处压力梯度绝对值为局部最大值;当立管充气口气量为零时,会使充气口上方一段距离的压力梯度绝对值较小;充气量增大到一定值时会在充气口附近形成明显的气泡。当缺少立管高位充气时,会导致立管下部区域形成大的压力梯度,增加颗粒下落阻力。充气松动颗粒的作用仅对充气口附近区域有一定影响,更大的作用是在立管内形成均匀的压力梯度分布,使立管内气固流动状态保持上下一致。在制定充气方案时,应根据固体循环流率确定立管压降,补充合适气体量以维持气体下行速度均衡,使得各段的平均压力梯度相同。     

气固环流燃烧器内颗粒流动行为

针对石油焦及气化余焦的燃烧特点和流态化特性,提出了一种采用气固密相环流烧焦与快速床管式烧焦技术相组合的新型燃烧器结构。在不同操作条件(导流筒区表观气速0.772～1.674m.s-1,环隙区表观气速0.223～0.519m.s-1,装置系统的颗粒外循环强度40.8～229.4kg.m-2.s-1)及两类颗粒体系下,采用光纤测量仪对组合燃烧器环流段内颗粒流动特性进行了系统的实验研究。结果表明,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度在导流筒区、底部区和颗粒分流区床层内沿径向的分布规律为中心区小、边壁区大的环-核型分布,体现了气固流化床典型聚式流态化的非均一性特征;在环隙区,受环流段结构的影响,两类颗粒体系的固含率和颗粒轴向速度参数沿床层径向的分布相对较均匀;混合颗粒体系的固含率、颗粒轴向速度较单一石英砂颗粒体系的要小,细颗粒的加入在一定程度上能改善气固混合的均匀程度;两类颗粒体系在底部区和颗粒分流区的径向流动具有剪切破碎气泡的作用,有利于环流段内气固的充分混合接触。     

耦合粗粒化离散颗粒法和多相物质点法的气固两相流模拟

在气固两相流动的模拟中严格处理颗粒运动和颗粒相互作用时,欧拉?拉格朗日(EL)方法比欧拉?欧拉(EE)方法更具优势。但传统的EL方法仅能处理少量颗粒。将颗粒群作为单个计算颗粒处理可扩大模拟规模,粗粒化离散颗粒法(CG-DPM)和多相物质点法(MP-PIC)是其中两种主要方法,分别更适用于稠密和稀疏的颗粒流体系统。将两种方法耦合建立了更通用、准确和有效的EL方法,比较了不同耦合参数下流型、固相分率分布等定量信息,确定了最佳耦合参数。     

全混流反应器内流动规律模拟研究

研究了一种接近全混流的小型气固相反应器,可以用于在实验室研究时需要实现全混流接触状态的气固相反应的研究.采用计算流体力学软件(CFD)进行模拟得到最优结构,其结构包括1个圆锥形反应器主体,4个连接在反应器主体底部的进料口,1个连接在反应器主体上部的出料口.气体从4个进料口进入,催化剂在流动过程中从中部掉落,形成气体水平...     

灰钙循环烟气脱硫反应器气固两相流动数值模拟

灰钙循环烟气脱硫反应器内气固两相流动及流场特性是直接影响装置稳定有效运行的关键因素,采用CFD软件Fluent中k-ε湍流模型对灰钙循环烟气脱硫反应器进行了数值模拟,确定反应器内各段阻力及流场分布。研究结果表明:灰钙循环烟气脱硫反应器的循环物料入口设置是影响反应器内流场分布的重要因素,且进料口前阻力占反应器总阻力大于90%,并对其在20 t/h煤粉工业锅炉配套灰钙循环烟气脱硫装置上进行了实验验证,在各测点测量气速与静压,结果证明模拟结果可靠,进料口前阻力模拟偏差率仅为1.7%。同时采用双进料口对反应器流场进行了优化,模拟结果验证该优化方法确实可行,计算得到良好的流场。     

Simulating multiphase flow in a two-stage pusher centrifuge using computational fluid dynamics

The design of two-stage pusher centrifuges have developed rapidly, but a good understanding of the theory behind their practice is a long-standing problem. To better understand centrifugal filter processes, the computational fluid dynamics (CFD) software program FLUENT has been used to model the three-dimensional geometry and to simulate multiphase flows based on Euler-Euler, moving mesh, dynamic mesh and porous media models. The simulation tangential velocities were a little smaller than those for rigid-body motion. In the stable flow region, the radial velocities were in good agreement with the theoretical data. Additionally, solid concentration distribution were obtained and also showed good agreement with the experimental data. These results show that this simulation method could be an effective tool to optimize the design of the two-stage pusher centrifuge.