提升管内气粒流动行为的数值模拟

采用描述密相湍流气粒流动规律的k-ε-kp-εp-Θ双流体模型对不同尺度和操作条件下的提升管内的定常流动进行了计算流体力学数值模拟，获取了各种工况下有关颗粒速度、体积分率和质量流率分布等宏观流动行为的大量信息，并与相应条件下的实验数据取得了较好的吻合。此外还通过对大量模拟数据的分析获得了提升管内宏观流动规律的综合图像。该模型描述了密相湍流气粒流动规律，预测出了描述单颗粒脉动能大小的颗粒拟温度田和表征颗粒在介观尺度上脉动大小的颗粒湍动能江在床内的分布。分析表明：不同流动参数对颗粒在微观和介观尺度上的脉动有不同程度的影响；固含率对颗粒相的脉动行为和颗粒的质量扩散行为有重要的影响。     

搅拌槽内多相流动数值模拟研究进展

综述了过程工业中广泛应用的搅拌槽反应器内多相流动数值模拟研究的进展.讨论多相湍流模型、相间作用力模型及搅拌桨处理方法等重要的数值模拟技术和方法,并对有关的计算模型进行了比较分析.针对搅拌槽内的各种多相体系,论述了不同研究者在桨区处理、相间动量传递描述和分散相的引入对体系湍流特性影响等方面的模拟方法并对结果作了比较.提出了需要进一步深入研究的课题.     

多相流模型模拟熔融还原炉内流体流动

CFD软件中的VOF多相流模型和Mixture多相流模型已经被广泛用于冶金过程的数学模拟中.本研究使用FLUENT软件自带的VOF多相流模型和Mixture多相流模型分别对熔融还原炉的单底吹流动进行数学模拟,并同水力学模拟实验结果进行对比,发现从密度场和流场来看,VOF模型的计算结果更符合水力学模拟实验的结果.使用VOF多相流模型对熔融还原炉进行复吹模拟时发现,顶枪枪位较高时,对铁浴没有起到搅拌作用;侧吹炉壁枪仅对靠近壁面处渣层引起喷溅;底吹喷枪会引起铁渣界面的波动.     

多相流中颗粒旋转运动特性的研究进展

多相流中分散相颗粒旋转运动特性研究对于进一步揭示多相流机理有重要意义,同时也有助于人们更全面地认识多相流动,因此,越来越受到学者们的关注。近年来,人们从理论模拟方面研究颗粒旋转对流场的影响,通过改进多相流数值模型来考虑颗粒旋转,获得了与实验吻合的结果,但由于模型本身的局限性,无法全面考虑颗粒旋转运动对颗粒群和周围流场的影响;在实验研究方面,人们尝试利用高速摄像方法测量颗粒的转速,并对实际气固两相流中颗粒的转速进行了测量,但更准确、有效的颗粒转速测量方法还需进一步探索。把直接数值模拟方法应用于颗粒旋转运动特性的模拟是进一步研究颗粒旋转运动特性需要突破的方向,另外,通过计算机视觉场景中的连续图像序列对目标物体进行三维运动和结构重建的技术,也将是颗粒转速测量方法的研究重点之一。     

颗粒群研究：多相流多尺度数值模拟的基础

用两流体模型及颗粒轨道模型数值模拟过程工程设备中的多相流,都需要表达浓度较高的分散相和连续相间的作用力的本构方程. 本工作综述了多相流中颗粒受力研究的现状和尚待解决的问题. 对单个颗粒(包括流体颗粒)在静止和运动流体中的受力情况的研究结果比较丰富,但对颗粒群的研究则很不充分. 对颗粒受的曳力研究较多,但还缺乏可信的计算升力、非稳态力等的公式. 因此颗粒群的研究成为多相流准确多尺度数值模拟的关键. 开发能处理整体和局部均存在非均匀性的多相流的高效算法也是有待克服的困难.     

多相流搅拌反应器研究进展

综述了近五年冷态气液固三相搅拌反应器的研究成果,阐明近期研究热点已转为热态多相流搅拌反应器的流体力学行为。概述了热态气液两相体系中通气功率、混合时间、局部及总体气含率的研究结果。指出今后研究重点应为热态的固液悬浮、气液传质过程及其机理,同时说明用计算流体力学（CFD）对气液固三相搅拌反应器的数值模拟仍属起步阶段。     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明:①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明：①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU 时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU 时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

渐缩下料段对其上矩形移动床内床层颗粒流动的影响

本文从Ｎｅｄｄｅｒｍａｎ等人的颗粒流动学基本理论出发，结合Ｐｏｌｄｅｒｍａｎ等人对渐缩下料段同颗粒流动分布的研究结果，建立了矩形移动床床内颗粒流动速度分布的关系式，提出了渐缩下料段对其上床层颗粒流动影响临界高度的概念，并分析了改变渐缩下料段几何形状及颗粒与渐缩下料段壁面的摩擦角等因素对临界高度的影响，以期为有效利用移动床提供指导。     

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。     

复合移动床电石反应器中颗粒运动的离散单元法模拟

针对复合移动床反应器内固体颗粒运动,采用离散单元法模型（DEM）考察布料器分别为扇形开口和矩形开口时,布料器转速和开口对颗粒运动的影响,并基于文献结果论证了本文模型的准确性。模拟结果表明：①对于不同布料器,颗粒在移动床中呈现平推流和汇聚流两种流动形态。②随布料器转速及开口的增加,颗粒质量通量非线性增加。③随布料器转速的增加,下落床径向上颗粒分布更均匀;随布料器开口的增大,下落床径向上颗粒分布范围变大,颗粒分布更均匀;对下落床径向上颗粒分布,布料器扇形开口时分布呈U形、矩形开口时分布呈M形。④沿反应器轴向向下,颗粒分布有均匀化趋势;扇形开口布料器对颗粒分布的离散系数大于1,矩形开口布料器对颗粒分布的离散系数约为0.5。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

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。     

石油污染物在地下环境系统中运移的多相流数值模型

在综合考虑有石油污染物在地下环境体系中扩散、吸附解吸、界面间分配以及微生物降解等作用下,建立了有机污染物在多孔介质迁移转化的多相流动力学模型,并采用特征有限差分方法和隐式压力显式饱和度方法对耦合模型进行数值离散,编制了相应的计算程序;利用该程序对石油污染物在地下环境系统中运移机制进行定量化研究.研究结果表明：石油污染物在地表泄漏以后,将在重力和毛细力的作用下,产生水平位移和垂直位移.当污染物迁移到地下毛细管区后,其向下的运动将整体受到毛细张力的阻碍,污染物要想进入毛细饱和带必须克服油-水界面的进气压力,这时污染物在毛细饱和带顶部聚集以期获取压力,同时将产生以水平方向为主的迁移,最终随着污染物的压力超过其进气压力,导致污染物进入毛细饱和带,在地下水水位上形成一个透镜体.数值模拟曲线与实验测试曲线吻合较好,验证了模型的可靠性.这为定量化研究石油污染物在地下环境系统中分配与归宿及污染预测、预报提供了理论依据.     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

导向管直径对喷动床流动特性影响的计算颗粒流体力学数值模拟

导向管喷动床是较为常见的一种喷动床改进床型,通过阻断喷动区与环隙区气固接触来提高颗粒循环的规律性与稳定性。本文采用计算颗粒流体力学（CPFD）方法对于直径150mm的柱锥式导向管喷动床进行了数值模拟研究,考察了导向管直径对于喷动床内颗粒流动特性的影响,从环隙区死区分布、颗粒速度分布、固体循环量等方面分析了具有不同直径导向管喷动床的运行状态。结果表明,加入导向管在减少床内死区的同时也降低了运行时的固体循环量,对于本次采用的喷动床结构尺寸与运行参数,只有在导向管直径为40～60mm时才能保证床内具有良好喷动状态,综合考虑各因素,选用直径50～55mm的导向管最为合适。对于具有类似结构与运行条件的柱锥喷动床,导向管直径可考虑选为无导向管运行时喷动区直径的1.2～1.375倍。     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

快速流化床颗粒团絮特征的MP-PIC数值模拟

为了研究快速流化床颗粒的团絮特征,建立了基于多相质点网格法的快速流化床气固多相流三维数理模型,气相场采用大涡湍流模型,通过求解牛顿运动方程得到颗粒相运动信息,气固间相互作用力采用Gidaspow曳力模型,固体间作用力通过计算颗粒应力梯度得到。基于该模型,对三维快速流化床上升管（H=3 m、d=0.1 m）气固流动开展了数值模拟,并与实验进行了校正,研究了在气速工况U_g=5.28 m·s^-1下的颗粒（ρ_p=2650 kg·m^-3、d_p=250 mm）团絮性质,实现了对上升管内颗粒团絮的基本类型（条形团絮、马鞍形团絮、U形团絮）的成功预测,并揭示了不同类型团絮在上升管内形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。结果表明,上升管径向颗粒团絮的平均颗粒浓度分布呈现中间低两边高的环核结构,颗粒团絮速度的分布与其相反;随着轴向高度的增加,颗粒团絮的颗粒浓度逐渐降低而速度逐渐增加,但达到一定高度后变化减缓。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。     

Advanced simulation of transient multiphase flow & flow assurance in the oil & gas industry

We discuss here current computational trends (beyond Mechanistic 1D Models) related to transient multiphase flow and flow assurance problems in the oil and gas sector. The developments needed to bring advanced Computational fluid & Multiphase‐fluid dynamics (CFD & CMFD) techniques and models to a mature stage will also be discussed. The contribution presents the possibilities offered today by these simulation technologies to treat complex, multiphase, multicomponent flow problems occurring in the gas and petroleum engineering in general. Examples of various degrees of sophistication will be presented, without focusing on the validation aspect as such. The models are briefly introduced (phase averages, N‐phase, interface tracking, Lagrangian particle tracking and granular flow model). © 2013 Canadian Society for Chemical Engineering