固定床流体流动特征数值模拟

为了研究固定床边壁效应、固定床床层数的变化以及颗粒的填充倾斜角度等参数对床内流体流动状况的影响,基于Ergun方程建立了轴对称多孔介质数学模型。同时对床内流体流动状况进行了研究:在床高确定的情况下,随着床层数的增加,压强降减少;随着颗粒填充倾斜角度的增加,压强降也减少,速度径向分布不均;在固定床边壁附近,气体速度明显增大。计算结果与实验值的比较表明模型能有效地描述固定床压强降和床内流体流动状况。     

含固体颗粒流体旋流场强化传热综合性能实验

为了进一步提高不含固体颗粒流体旋流场强化传热,开展含固体颗粒流体旋流场强化传热综合性能实验,研究颗粒浓度、粒径、Re数等因素对3种扭曲管的综合强化传热性能的影响。结果表明:液固流体换热性能随着颗粒浓度、粒径、Re数的增大而提高。与单相流体比较,当粒径2 mm、颗粒浓度分布1%时,相同Re数下3种扭曲管的Nu数平均提高12.91%,13.12%和15.23%,管内流体压降平均提高60.22%,67.23%和73.16%。通过综合性能评价因子分析,当粒径为2—5 mm、颗粒浓度分布为5%,扭曲管导程为200 mm、椭圆度为1.49时具有较好的综合性能。     

液固萃取塔中尼龙6中己内酰胺的外部传质系数

采用固定床半间歇萃取装置在工业生产温度与流速下研究了尼龙6颗粒中己内酰胺(CL)的液固传质过程,基于萃取过程中CL浓度在颗粒中呈现抛物线分布的假设,建立了液固传质过程的外部传质系数模型. 结果表明,温度65~95℃和液相流速0.27~2.71 mm/s时,提高温度与流速均能显著加快CL的液固萃取. 外部传质系数模型适用于描述无因次时间大于0.15的实验数据. 将CL外部传质系数进行无因次量纲化,建立了舍伍德数(Sh)、施密特数(Sc)和雷诺数(Re)间的相互关系,可用于预测尼龙6工业萃取塔中的CL外部传质系数.     

凹壁面切向射流近壁面单颗粒尾流特性的大涡模拟

采用大涡模拟研究了凹壁面切向射流作用下近壁面圆球型颗粒对流体流动特性的影响，模拟获得的尾涡结果与实验示踪剂图像吻合较好。研究了颗粒尾流的涡旋结构及其演变过程，考察了雷诺数Re=700～10 000时颗粒周围速度、涡量及流线变化。结果表明，随着雷诺数增加，颗粒的影响区域涡量增强，涡量的峰值始终出现在颗粒迎流面，颗粒后侧的回流区显著收缩。Re≥2000时在射流展向颗粒后侧存在两个尾涡，流体的切向速率和涡量均发生周期性波动。对颗粒的升力和阻力进行了监控，Re=2000时旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数St=0.000 854，升力功率谱中峰值对应的St=0.001 52;Re=10 000时阻力功率谱没有发现峰值，升力功率谱中峰值对应的St=0.008 74。     

管内螺旋液固两相流的流动行为及传热

利用Fluent-EDEM耦合方法对管内插螺旋线的液固两相流动与传热进行数值模拟,分析了螺旋线对固相颗粒的诱导碰撞作用和液固两相流传热性能的影响. 通过实验验证,模拟值与实验值的偏差为6.3%~13.8%. 模拟结果表明,与管内未插螺旋线对比,管内插螺旋线对液固两相流体具有诱导作用,使流体呈螺旋流状态;在流体离心力和螺旋线共同作用下,贴近管内壁运动的固体颗粒体积分数由0.44%提高到3.27%;相同雷诺数Re条件下,内插螺旋线液固两相流传热方法的努赛尔数Nu最大. 在Re≤60000范围内,内插螺旋线液固两相流的综合评价指标值均高于内插螺旋线和液固两相流单独作用方式. 因此,该技术适用于低Re下管内防垢除垢及强化传热的工况.     

固定床中丝状颗粒的传热传质特性

目前对于固定床中丝状填充颗粒传热传质特性的认识仍处于初始阶段。为了能够从颗粒尺度的微观层面揭示丝状颗粒与气体、颗粒与颗粒之间的热、质传递机理,建立了一种丝状颗粒传热传质数学模型,之后将离散单元法与计算流体力学相结合,对实验中较难获得的床层局部流动及传递信息进行了数值模拟,并着重分析比较了气流入口温度以及表观气速等关键因素对固定床中丝状颗粒温度和含水率变化的影响规律。通过模拟结果与实验数据的对比,验证了所建模型的可行性。研究结果表明:同一时刻,固定床中颗粒温度大体上是随着床层高度的增加而降低,含水率则是随着床层高度的增加而升高;气流入口温度对于固定床中丝状颗粒平均温度的提升起着主导作用,而颗粒的传质速度则受表观气速的影响更为明显。     

二氧化硫强制动态氧化过程的模型化(Ⅰ)——钒催化剂固定床的轴向传热特性

利用热响应技术对装填S101型钒催化剂的固定床轴向传热特性进行了实验研究。实验范围是:床层初始温度从室温至约500℃,Re=30～660,大体上覆盖了工业反应器的操作条件。结果表明,在床层温度小于200℃的低温下,前人已提出的计算a_(ax)和Nu数的公式仍然适用,但在更高的温度下,轴向有效导热系数的数值比前人的预测要大。     

二氧化硫强制动态氧化过程的模型化(Ⅰ)——钒催化剂固定床的轴向传热特性

利用热响应技术对装填S101型钒催化剂的固定床轴向传热特性进行了实验研究。实验范围是:床层初始温度从室温至约500℃,Re=30～660,大体上覆盖了工业反应器的操作条件。结果表明,在床层温度小于200℃的低温下,前人已提出的计算a_(ax)和Nu数的公式仍然适用,但在更高的温度下,轴向有效导热系数的数值比前人的预测要大。     

管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。     

热线外低Rayleigh数自然对流换热的机理

采用铂丝自测流体温度的实验方法,利用50×10^-6 m²·s^-1硅油对低Rayleigh数下水平与竖直热线外自然对流传热的机理进行了研究,对比实验测得的实验数据和Tsubouchi、Fand的实验数据发现,实验结果与Tsubouchi的拟合曲线吻合度较高,低Ra下水平热线外的Nu高于竖直热线,但均远高于数值模拟的预测值。为了解释该现象,进行了低振动Re下的自然对流数值模拟,发现在低于某一振动Re下,Nu将与Re无关,但此时Nu与实验测的Nu基本一致,与Tsubouchi的数据偏差也在5%以内,说明微尺度铂丝外自然对流可能存在振动的作用机理。     

内螺纹管内金属氧化物-水纳米流体传热特性的数值模拟

利用计算流体力动力学方法对恒定热流密度内螺纹铜管中的Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的换热特性进行数值模拟,分析了纳米流体的质量分数、Re数和管道的不同水平位置对对流换热系数的影响,并将模拟结果与实验结果进行了对比,得到的模拟结果与实验结果趋于一致。模拟结果表明:在Re数为1000~2000的范围内,内螺纹铜管的径向与轴向方向上,Fe2O3-水纳米流体的传热效果好于同等质量分数的Al2O3-水纳米流体,轴向方向上,当Al2O3-水纳米流体的质量分数为0.4%时,对流换热系数最大提高38.8%。Fe2O3-水纳米流体的质量分数提高0.3%时,对流换热系数最大提高26.5%,而Re数变化对对流换热系数的影响要更强一些,最大提高78%。Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的对流换热系数增长趋势的最佳质量分数在4%左右。     

化工原理试题

一、简要回答下列问题(20分) 1、在考虑流体通过固定床流动的压降时,颗粒群的平均直径是按什么原则定义的?为什么? 2、用因次分析方法规划实验的主要步骤是什么? 3、湿球温度与绝热饱和温度的物理意义有何区别? 4、在一高度为1m的垂直管段内,流体以0.2m/S的流速自上向下流动,流体中含有少量细小固体颗粒。已知颗粒在此流体中的沉降速度为0.05m/S,求颗粒在此管段内的停留时间为多少?     

折叶涡轮桨搅拌器流型及温度分布数值模拟

采用MIXSIM对折叶涡轮桨搅拌器搅拌槽内流体流型及紊流状态下的温度分布进行模拟.结果显示:随Re数的增大,流体流型由径向流逐渐向轴向流发展;在温度变化趋于稳定时,温度在搅拌轴两侧基本呈对称分布,且分别存在一个低温区域.     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。     

环柱形颗粒填充床传热参数

在一可同时测定轴向与径向温度分布的壁冷式固定床实验装置上 ,通过实验测定了球形、圆柱形和环柱形填充颗粒的径向有效导热系数和壁给热系数 .采用计及内、外环外表面积的颗粒等比表面积当量直径 ,将这些传热参数与Reynolds数相关联 .     

异形多通孔催化剂工程研究(III)——12孔及24孔颗粒固定床传热参数测定

对两种薄片结构的异形多通孔催化剂颗粒的传热特性进行实验研究。在一可同时测定轴向和径向温度分布的壁冷式固定床中测定了12孔及24孔异形多通孔颗粒的温度分布，利用所测实验数据对拟均相二维模型进行了径向有效导热系数和壁给热系数的计算。将得到的传热参数与雷诺数相关联，并与相似条件下圆柱形及单孔环柱形催化剂颗粒的传热参数进行比较。结果表明，12孔及24孔异形多通孔颗粒能有效改善固定床传热性能。     

圆管内氧化石墨烯MPCM悬浮液对流传热实验研究

由于氧化石墨烯(GO)的高热导率特性,将其添加至相变微胶囊颗粒内,以提高以其为基材制备的悬浮液的热导率,从而进一步强化传热。分别测试了纯水、5wt%相变微胶囊悬浮液(MPCMS)、5wt%和10wt%复合氧化石墨烯的相变微胶囊悬浮液(GO-MPCMS)的传热特性,分析讨论了壁面热流密度、雷诺数(Re)等参数的影响。结果表明,由于相变过程的影响,圆管壁面和流体温度分布呈现上升、平直、上升的变化规律;相同实验条件下,当工质为悬浮液时壁面温度与流体温度比纯水低;颗粒浓度和GO均对传热产生较大影响,相同质量分数(5wt%)时,添加GO时可使稳定后的局部努塞尔数(Nu_x)进一步提升8个百分点,颗粒质量分数由5wt%增至10wt%时,Nu_x又增加了20个百分点;与纯水相比,同时考虑GO和微胶囊颗粒的影响,相同实验条件下,相变微胶囊悬浮液平均努塞尔数(Nu)可提升1.0～2.0倍。     

高粘度流体二维搅拌流场

用有限元法求解二维搅拌流动的Navier-Stokes方程。采用极坐标系,引用罚函数法处理流体不可压缩条件,并消去压力项,成功地计算了锚式桨搅拌槽二维流场的速度分布、流型以及剪切率分布。计算的流型与实验拍摄的结果符合良好,还对不同Re数下的搅拌流场进行了数值模拟,并描述了典型Re数下的计算结果及Re数对流场的影响。     

磁流化床磁稳流化区域的确定及影响因素

通过对磁流化床中四种铁磁颗粒（其平均粒径dp范围为231～512mm）流化特性的实验研究,得出磁流化床的磁稳流化区域与磁场强度、颗粒粒径之间的变化关系。在此基础上,运用量纲分析法,得到磁稳流化区域与磁重势能比Er、阿基米德数Ar、雷诺数Re等无量纲数之间的关系,并回归得出确定磁稳流化区域的实验关联式。同时,对实验关联式进行了显著性检验,结果表明,Er对磁稳区域的大小影响最为显著,Ar次之,Re则最不显著。     

超临界流体快速膨胀用于细颗粒包覆技术

研究超临界流体在快速膨胀过程中的热力学状态变化,超临界流体在喷嘴端部快速膨胀过程中温度急剧降低,在一定条件下,降低的温度与流体体积流率平方成线性关系。超临界流体在快速膨胀射流中产生数十纳米量级的微核颗粒,流体膨胀前温度对微核粒径有显著影响。通过超临界流体在流化床中的快速膨胀,使包覆剂微核在颗粒表面形成均匀的薄膜包覆,实现颗粒或颗粒中关键组分在溶剂中的控制释放。