撞击流中颗粒旋转特性

搭建了研究撞击流中颗粒旋转特性的气固两相撞击流实验台,使用高速摄像机拍摄一个截面为0.15 m×0.08 m的撞击区域内固体颗粒的运动。利用所搭建的实验台设置了单喷口和双喷口两种实验方式来研究颗粒旋转影响因素,得出撞击流内颗粒的旋转特性。结果表明:固体颗粒在气相中运动过程一直伴随着其自身的旋转;气相场对颗粒转速的影响较小,可忽略不计;相同实验条件下,颗粒直径越小其转速越大;颗粒以及气相速度越大,则固体颗粒在碰撞后的转速越大,当加速气相速度为25 m·s^-1,氧化铝陶瓷直径为0.003 m时,颗粒碰撞前后转速差平均值可达280 r·s^-1;颗粒间碰撞过程中,颗粒相对运动偏置角度对转速变化影响很小。     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,BasedLun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

气固多相旋转射流的数值模拟研究

以气固多相旋转射流的偏微分方程组为基础,针对采用k-ε双方程湍流模型模拟旋转湍流场尚存的不足,本文通过对湍流耗散率方程修正的方法,数值模拟研究了气相湍流场、颗粒运动轨迹和轴向速度分布规律,开发研制出相应的通用计算软件,其预测结果与LDV实测值吻合较好.     

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.     

旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析

作为固液分离器的基础研究,应用龙格-库塔法对进入旋转态液体中的固体粒子由运动开始到被分离完成的全过程进行了数值计算。动力学模型中除考虑了重力、浮力、流体粘性力外,还考虑了假想质量力、Basst力、Sffm an扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在实验装置中与数值计算参数相同的条件下进行了可视化实验研究。计算结果发现,在运动开始阶段,粒子的粒径越小,加速度越大,很快进入运动平衡状态,相反粒子粒径越大,加速度越小。运动的第2阶段,直径大的粒子仍在加速运动,因此不同直径的粒子运动之间存在一个运动加速度、速度及位移逆转现象。数值解析结果与可视化实验结果进行了比较,证明了数学模型与计算结果的正确性。     

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。     

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。     

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。     

气固两相流穿越液池过程颗粒运动及分布特性

为了揭示气固两相流穿越液池过程中的气液固三相流动特性,建立了气液固三相实验平台和基于Euler-Lagrange框架下的数值模拟平台,对该过程中的气液固三相流动过程及颗粒运动分布规律进行研究。获得了5～15 μm、80～110 μm和380～530 μm 3种典型粒径颗粒在三相体系中的微观运动过程及其分布规律。实验与数值模拟结果均能反映出一致的客观规律。研究发现,颗粒浓度沿液池高度方向和径向均呈现多峰分布特征;5～15 μm粒径颗粒更易跟随气体一起穿越液池,其在液池内的浓度分布较为均匀;380～530 μm粒径颗粒与气体的跟随性较差,其浓度峰值主要集中在液池底部。随着下降管出口静态浸没深度的增加,液池内颗粒浓度分布趋于平缓。     

基于DEM方法的旋转流化床纳米颗粒流动特性研究

基于DEM方法利用MFIX软件分别模拟了两种不同粒径纳米颗粒在旋转流化床内的流动。模拟结果与以往实验结果进行比较发现结果吻合较好,验证了旋转流化床模型的准确性和可靠性。对纳米颗粒在旋转流化床中的运动过程进行数值模拟,加入范德华力,得到了纳米颗粒分布、纳米颗粒速度矢量分布以及纳米颗粒床层压降在不同离心加速度下随气速的变化。结果表明,少部分纳米颗粒在旋转流化床上部游离,其余颗粒随旋转流化床运动,当纳米颗粒上升到60°旋转角附近时,颗粒出现回落,然后进行反复运动,由于纳米颗粒的运动受到颗粒堆积的影响,最终纳米颗粒在旋转流化床底部往复循环。纳米颗粒在旋转流化床内的压降均随离心加速度和气速的增加而增加,相同条件下TiO2颗粒的床层压降大于Al2O3颗粒的床层压降,而且与TiO2相比Al2O3颗粒先达到稳定状态。     

Effect of particle orientation on the drag force in random arrays of oblate ellipsoids in low-Reynolds-number flows

Through particle-resolved direct numerical simulations of flows past random arrays of oblate ellipsoids at low Reynolds numbers, this work demonstrates how the drag force on oblate ellipsoids depends on the Hermans orientation factor S, the mean crosswise sphericity φ_⊥ , the aspect ratio AR, and the solid volume fraction c. Wide ranges of S, AR, and c are considered and they are in the intervals (−0.5, 1), (0.2, 0.8), and (0.1, 0.4), respectively. This study extends the work on prolate ellipsoids by Li et al (AIChE Journal, 2019, 65, e16621). Based on the simulation results, two models are respectively developed using S and φ_⊥ as the independent orientation factor. The model based on S could give accurate prediction of the drag force and the lateral force exerted on arrays of particles. The model based on φ_⊥ is able to use one generalized drag correlation for both oblate and prolate ellipsoids.     

循环流化床中颗粒旋转特性

利用由高速数字摄影设备及大功率激光构成的测试系统在一截面为200 mm×200 mm、高为4 m的冷态循环流化床实验台上进行了床内颗粒旋转特性的实验研究.对在距布风板3.54 m高度的稀相区的1/4截面内13个测试点拍摄获得的图像序列利用Matlab、PhotoShop和ACDSee软件进行分析处理,采用人工直接判别获得颗粒转速,用双帧频验证法进行颗粒转速校验.结果表明：循环流化床气固两相流中固相颗粒普遍存在旋转现象,截面边壁区内的颗粒平均转速高于中心区域;粒径小或径向速度大的颗粒,其平均转速较大,反之亦然;不规则颗粒的平均转速明显高于球[JP2]形颗粒;当空截面气体速度V_g=5 m•s^-1,固体质量循环流率G_s=1.5 kg•m^-2•s^-1,玻璃珠颗粒平均粒径d_p=0.5 mm时,颗粒转速最高可达2000 r•s^-1,平均转速300 r•s^-1.     

颗粒团聚对稀相气固流动脉动关联项的影响

研究了颗粒团聚对描述稀相气固两相流的气固相宏观控制方程中待封闭气固脉动关联项的影响规律并建立关键待封闭项代数模型。根据气相速度脉动与固相浓度关联项(漂移速度)控制方程,将漂移速度表达为固相非均匀程度和气固平均滑移速度的代数模型。分别采用两种基于颗粒动理学的欧拉?欧拉框架介尺度方法模拟三维周期条件且固相平均浓度为1%的稀相气固两相流动,第1种方法假设固相速度分布函数f为各项同性的双流体方法(TFM);第2种方法假设f服从各向异性高斯分布的积分矩法(AG)。网格分辨率为颗粒直径dp的1.75倍,气固间动量交换采用Stokes曳力模型,并与文献中采用相同参数设置的欧拉?拉格朗日(E?L)方法模拟结果进行对比。结果表明,AG方法的准确度优于TFM方法,气固平均滑移速度、气固脉动能等更接近E?L方法模拟结果。颗粒聚团的积分尺度小于气相脉动速度的积分尺度,两者均呈各向异性,竖直分量高于水平分量。模拟得到了气固速度脉动关联系数和漂移速度系数。     

用无网格伽辽金法模拟流场中的颗粒运动

采用无网格伽辽金法对多相流动中的颗粒运动进行了直接数值模拟.颗粒的受力通过积分颗粒表面压力和黏性力获得,颗粒运动用牛顿运动定律表示.在模拟两个颗粒一前一后的下落过程中,两颗粒呈现出文献中所观察到的拖曳、亲和、翻滚的现象.在处理颗粒碰撞上,无网格法显示了其优越性,实现了颗粒真正碰撞,解决了困扰多相流直接数值模拟发展的一个重要问题.最后,还模拟了6个颗粒在管道内的下落过程.这些计算都表明,由于无网格法不需要单元的连接,适合于推广到大型的气固两相流的直接数值模拟计算中,从而为多相流直接数值模拟的广泛开展奠定坚实的基础.     

含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明：以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。     

Experimental study of particle rotation characteristics with high-speed digital imaging system

Particle rotation plays an important role on several aspects in gas-solid two-phase flow. However, it has not been paid much attention due to a lack of appropriate measurement methods. An attempt has been made in the present paper on the experimental study of particle rotation characteristics in a cold pilot-scale Circulating Fluidized Bed (CFB) riser, by using a high-speed digital imaging measurement system. It is found that one can measure rotation speeds manually for particles with special speckles on their surfaces or irregular shapes by observing particle image sequences. A dual-frequency imaging method was presented to enlarge the maximal measurable rotation speed at finite frame frequency and the measured rotation speeds are validated theoretically. Furthermore, particle rotation characteristics in a cross-section in upper dilute-phase zone were analyzed statistically. The results show that the average particle rotation speed is about 300 rev/s with the top speed of 2000 rev/s, when the superficial gas velocity U_g, external solids mass flux G_s and average particle diameter are 5 m/s, 1.5 kg/(m² s) and 0.5 mm, separately. The average particle rotation speed near the wall area is higher than that in the center area at the testing cross-section. Those particles, with either smaller size or higher radial component of translational speed, may have higher average rotation speed. The average rotation speed of irregular particles is apparently higher than that of the spherical ones.     

硅胶基复合干燥剂转轮最优转速分析

基于合理的假设条件,建立了同时考虑轴向导热、质扩散以及多孔结构的数学模型,对硅胶基复合干燥剂转轮的传热传质过程进行了数值模拟计算。计算结果与实验数据误差在10%以内。利用该数学模型分析了复合干燥剂转轮结构参数及运行参数对最优转速的影响。研究发现转轮的厚度和再生角度对最优转速影响较大,当复合干燥剂转轮厚度控制在100 mm,再生角度为90°时,转轮性能最优。     

考虑颗粒旋转的流化床流动和气化反应模拟

摒弃传统颗粒动力学模型中颗粒绝对光滑的假设,以粗糙颗粒为研究对象,同时考虑颗粒碰撞过程中的对心和切向分力建立了粗糙颗粒动力学模型,采用近似求解给出了相关本构关系式。结合粉煤气化反应模型模拟研究了鼓泡流化床内粉煤颗粒的流动-反应过程,获得了床内粗糙颗粒时均速度和浓度的径向分布。与光滑颗粒的计算结果相比,粗糙颗粒的脉动能量增大,床内不均匀特性进一步增强。同时得到的各气体组分的浓度分布与他人的实验结果相吻合。     

激光衍射法测试颗粒形状的模拟

对激光衍射法测试颗粒形状的原理、数学模型作了全面的介绍。在数值模拟的基础上论证了该法的可行性以及操作中应注意的问题,指出该法与现代激光粒度仪的结合有望诞生新一代激光颗粒仪。     

旋风分离器内旋转流偏心旋转对速度计算的影响

采用Fluent软件对旋风分离器内流场进行了数值模拟,结果表明其旋转流存在着偏心旋转现象,即旋转流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合。用CFD计算旋风分离器内强旋流的三维速度是基于旋风分离器的几何中心给定的,而进行气固分离计算用的三维速度是基于旋转中心的,二者之间存在着一定的差别,尤其是径向速度分布上有很大的不同。这就需要对基于几何中心的旋风分离器内旋转流的三维速度值进行修正,将参考几何中心计算的流场变换为参考旋转中心的流场。在旋风分离器流场数值模拟的基础上,分析了基准不同所产生的三维速度分量之间变化,给出了将参考几何中心计算的流场换算到参考旋转中心的流场的方法。