提升管内颗粒团聚行为的离散颗粒模拟

采用计算流体力学和离散单元方法对二维提升管气固流动过程进行了数值模拟。采用大涡模拟方法模拟气体湍流流动,采用离散单元方法模拟颗粒碰撞过程。基于网格内流体能量守衡,提出了动能加权平均法,实现Euler坐标与Lagrange坐标的耦合与分解。模拟计算得到的瞬态流型揭示了颗粒聚团的合并和破碎过程及颗粒的详细运动行为,定性地揭示了提升管内气体-颗粒两相流动过程。     

下行床气粒流动行为的Eulerian-Lagrangian模拟

采用计算流体力学和离散单元方法耦合模型（CFD-DEM）对二维下行床内的气粒流动行为进行了全床数值模拟。模拟结果展示了下行床典型操作条件下特有的气固动态流动结构：沿流动方向存在明显的入口控制区、过渡区和（完全）发展区;颗粒聚团并不是出现在浓度相对较高的入口区,而是在过渡区之后的发展过程中逐渐形成较多的、松散的动态聚团结构。下行床发展段呈现典型的近壁浓环结构,这与实验结果基本一致。考察了颗粒之间以及颗粒与壁面之间的碰撞参数对下行床内气固流动结构的影响,发现完全弹性碰撞颗粒体系在入口区呈现最快速的颗粒分散;而对本文研究的操作条件,颗粒碰撞参数对发展段时均流体力学行为只产生轻微的影响。     

提升管-下行床耦合反应器内颗粒混合行为

引　言循环流化床中气固两相的流动有两种不同的方式 :提升管中为气固并流上行的逆重力场运动 ,下行床中为气固并流下行的顺重力场运动 .其差异表现为提升管内颗粒浓度、速度以及气体速度在径向上严重的不均匀 ,颗粒浓度概率密度分布以及速度的瞬时信号都表明了颗粒团 -空穴两相结构的存在[1] ,一些研究[2 ,3] 还发现提升管中颗粒的停留时间分布 (ＲＴＤ)曲线存在较大的拖尾甚至出现双峰 ,研究者认为提升管内存在弥散颗粒和颗粒团两种不同的混合机理 ;下行床则比提升管大大改善 ,气固速度、颗粒浓度沿径向分布要均匀得多 ,颗粒的ＲＴＤ曲线…     

提升管内气固流动特性的离散元模拟

采用离散单元法模型对二维提升管内气固流动特性进行了数值模拟。利用标准k-ε模型模拟气相的湍流流动,考虑了颗粒间的van der Waals力和滚动摩擦的作用。通过对颗粒和气体流动行为的分析,得到了颗粒浓度、速度、温度及气体速度等的分布,研究了表观气速和颗粒循环速率对颗粒流动的影响。结果显示:颗粒在提升管内呈现边壁浓、中心稀的环核流动及上稀下浓的流动结构;气固两相都存在一定程度的返混现象;增加表观气速,使颗粒浓度降低、速度增大,颗粒分布更均匀;增加颗粒循环速率,使颗粒浓度增大,而颗粒速度对颗粒循环速率的变化不敏感,颗粒分布的不均匀性更强。模拟结果与文献中实验定性吻合。     

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。     

提升管-下行床耦合反应器模拟

采用轴径向二维扩散模型对提升管-下行床耦合反应器催化裂化反应进行了数学模拟,并与提升管及下行床进行了对比.结果表明,在下行床之前耦合一段适当长度的提升管不仅可以保证原料具有较高的转化率,而且可以保证目的产品的选择性较高,缩短达到相同产品收率所需的下行床长度.这种耦合反应器充分利用了提升管与下行床各自的优势,并可以根据具体的原料及产品需求调整进料的位置以改变提升段与下行段的长度比例,实现柔性操作.     

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。     

高密度下行床-提升管耦合反应器内的气固流动行为

在新提出并建立的“下行床-提升管”耦合循环流化床装置上进行了实验研究,研究结果表明,与提高一次风率相比,提高二次风率（二次风与一、二次风之和的比值）,有利于提高颗粒循环量.当颗粒循环量达到400 kg•m^-2•s^-1时,第一提升管出口处的固含超过了20％,此时下行床内充分发展段的固含超过了5.5％,即高浓度颗粒充满了整个循环流化床系统,并且第一提升管内的颗粒径向浓度分布趋于均匀.     

下行床气固两相流动计算流体力学模拟

基于颗粒相动力学理论 ,对层流机制表达的气固两相流体力学模型采用Reynolds平均的方法获得气固两相流的湍流模型描述 .其中 ,气相湍流行为以k -ε模型描述 ;颗粒相的碰撞行为以颗粒流的动力学模型表达 ;而湍流行为以kp 模型描述 .因此建立的k -ε -Θ -kp 模型综合考虑了气相和颗粒相的湍流运动以及颗粒的碰撞行为 .依据此模型建立了三维流体力学求解程序并对下行床气固两相流动行为进行了模型预测 .讨论了恢复系数的选取及壁效应假设 ,从机理上分析并考察了 3种模型的预测能力 .针对内径 1 40mm、高 7m的下行床冷态设备 ,在较宽的操作范围内 ,对比了详细的颗粒浓度和速度径向分布以及轴向参数分布 ,并对下行床的放大行为进行了预测 .     

颗粒移动床内不稳定运动的计算颗粒动力学模拟

采用考虑滚动摩擦的三方程离散单元法（DEM）模型对侧开孔的移动床中的颗粒流动进行了数值研究。结果表明,计算颗粒动力学(CGD)方法可对复杂颗粒系统内颗粒的运动行为进行准确的预测,包括时均速度场和脉动速度场。讨论了模型中颗粒摩擦参数的重要影响,并对颗粒流动表现出的间歇现象进行了分析。颗粒流动与流体流动有相似之处,都存在随机的脉动,但颗粒流的随机脉动机理与流体中的湍流机理有很大不同,颗粒流动会表现出很强的不连续性。     

A CFD-DEM study of the cluster behavior in riser and downer reactors

This paper presents a numerical study of the particle cluster behavior in a riser/downer reactor by means of combined computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM), in which the motion of discrete particles is obtained by solving Newton's equations of motion and the flow of continuum gas by the Navier-Stokes equations. It is shown that the existence of particle clusters, unique to the solid flow behavior in such a reactor, can be predicted from this first principle approach. The results demonstrate that there are two types of clusters in a riser and downer: one is in the near wall region where the velocities of particles are low; the other is in the center region where the velocities of particles are high. While the extent of particle aggregation appears to be similar, the duration time for the first type in a downer is shorter than in a riser. Furthermore, it is demonstrated that the formation of clusters is affected by a range of variables related to operational conditions, particle properties, and bed properties and geometry. The increase of solid volume fraction, sliding and rolling friction between particles or between particles and wall, or damping coefficient can enhance the formation of clusters. The use of multi-sized particles can also promote the formation of clusters. But the increase of gas velocity or use of a wider bed can suppress the formation of clusters. The van der Waals force may enhance the formation of clusters when solid concentration is high but suppress the formation of clusters near the wall region when solid concentration is low.     

提升管出口SVQS自然旋风长度的数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型对一套φ600 mm×4150 mm的SVQS旋流快分装置的气相流场及自然旋风长度进行了模拟研究。结果表明,SVQS旋风尾涡的截面位置与隔流筒下端面最大切向速度衰减达88%时的截面位置相吻合,并据此定义了SVQS的自然旋风长度。基于SVQS旋流快分切向速度的分布规律发现,SVQS的自然旋风长度随喷口气速的增加和汽提气速的减小而逐渐增大。参照旋风分离器自然旋风长度的计算方法,基于SVQS旋流快分的结构特点及模拟计算结果,提出了提升管出口SVQS旋流快分自然旋风长度的计算关系式。     

搅拌釜内固-液悬浮体系的CFD-DEM模拟(英文)

Computational fluid dynamics-discrete element method （CFD-DEM） coupled approach was employed to simulate the solid suspension behavior in a Rushton stirred tank with consideration of transitional and rotational motions of millions of particles with complex interactions with liquid and the rotating impeller. The simulations were satisfactorily validated with experimental data in literature in terms of measured particle velocities in the tank. Influences of operating conditions and physical properties of particles （i.e., particle diameter and density） on the two-phase flow field in the stirred tank involving particle distribution, particle velocity and vortex were studied. The wide distribution of particle angular velocity ranging from 0 to 105 r·min-1 is revealed. The Magnus force is comparable to the drag force during the particle movement in the tank. The strong particle rotation will generate extra shear force on the particles so that the particle morphology may be affected, especially in the bio-/polymer-product related processes. It can be concluded that the CFD-DEM coupled approach provides a theoretical way to under-stand the physics of particle movement in micro-to macro-scales in the solid suspension of a stirred tank.     

基于CFD-DEM方法的净化器流场模拟与结构优化

针对空气净化器能耗高的问题,使用离散元方法(DEM)在吸附滤网中建立随机堆积柱形活性炭模型,采用计算流体力学(CFD)方法对空气净化器内部流场进行数值模拟,在模拟与实验验证的基础上,考察了压降最小、流场最均匀的吸附滤网结构。结果表明,空气净化器压降主要发生在轴向,活性炭吸附滤网中回流、沟流现象严重,流体阻力是其他两种滤网的3倍。边数对多边形填充孔结构吸附滤网内压降与流场均匀性无影响,当孔结构改为圆形时,压降减小约52 Pa,节能18.4%(49 W);当孔直径由8 mm增至12 mm,压降减小约48 Pa,节能19.4%(45 W);滤网间距对空气净化器压降无影响,圆形、小孔径的吸附滤网内流场最均匀。     

Particle-scale simulation of fluidized bed with immersed tubes

In order to simulate gas-solids flows with complex geometry, the boundary element method was incorporated into the implementation of a combined model of computational fluid dynamics and discrete element method. The resulting method was employed to simulate hydrodynamics in a fluidized bed with immersed tubes. The transient simulation results showed particle and bubble dynamics. The bubble coalescence and break-up behavior when passing the immersed tubes was successfully predicted. The gassolid flow pattern in the fluidized bed is changed greatly because of the immersed tubes. As particles and gas are come in contact with the immersed tubes, the gas bubbles will be deformed. The collisions between particles and tubes will make the tubes surrounded by air pockets most of the time and this is unfavorable for the heat transfer between particles and tubes. __________ Translated from Chemical Engineering, 2007, 35(11): 21–24 [译自:化学工程]