双尺度二阶矩颗粒湍流模型和提升管内稠密两相流动的模拟

稠密气固两相流动是当前国际上的研究热点,常常采用将颗粒湍流模型和反映颗粒碰撞作用的动力学模型叠加的办法来构造稠密两相流动的湍流模型。但是，对颗粒湍流模型，国内外尚没有进行双尺度湍流模型的研究。该文基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念，建立了一种新的双尺度二阶矩颗粒湍流模型，并对提升管内的稠密气固两相流动进行了模拟。所得颗粒浓度及速度分布和实验数据吻合较好，能揭示出提升管内的环-核流动结构。该模型的结果比单尺度二阶矩两相湍流模型的结果有所改进。     

气固多相颗粒旋流流动特性的数值模拟

为分析双组分颗粒气固旋流的流动特性,基于欧拉欧拉双流体气固单相湍流统一二阶矩模型(unifiedsecond-order moment,USM),构建考虑各向异性的双组分颗粒颗粒相间和气体双组分颗粒相间相互作用的气固多相二阶矩雷诺应力输运方程(multi unified second-ordermoment,MUSM)以及颗粒与气相脉动速度相关的本构关联方程。此模型完全考虑了颗粒与颗粒相之间的脉动速度的关联及其各向异性特征。用Sommerfeld(1992)试验结果检验经MUSM退化为USM的计算结果。双组分等直径重轻颗粒气固旋流模拟结果表明:模拟结果与实验结果吻合良好,因颗粒惯性和湍流扩散作用,双组分颗粒气固流动不同于单相气固流动。轴向气体颗粒脉动关联速度约为颗粒颗粒的2倍,切向和法向应力的分布被重新分配。     

循环流化床内稠密气固两相流动的数值模拟

颗粒团聚是稠密气固两相流动中的一个重要现象，该文定义了颗粒团聚合力的概念来表征稠密气固两相流动中颗粒所受到的团聚效应，对单个颗粒进行了全受力分析，得到了聚合力的线形模型表达式。采用聚合力的线形模型，将两相流场分为稀相区和浓相颗粒团，将颗粒团视为整体离散相，文中数值模拟了循环流化床内的稠密气固两相流动，得到了床内颗粒团分布、颗粒团大小、床内空隙率、气相速度、颗粒相速度的详细分布，揭示了循环流化床内稠密气固两相流场的规律，以及循环流化床内两相流场的核心—环形流动结构。计算结果与前人实验结果相符并表明，采用该模型及其算法模拟循环流化床内稠密气固两相流动是可行的。     

颗粒相双尺度湍流模型及其在提升管稠密两相流中的应用

稠密两相流动是当前国际上的研究热点,大多数湍流模型都基于单个时间尺度及长度尺度,然而实际的湍流脉动包含了很宽的涡旋尺度范围及时间尺度范围。为了较合理地模拟湍流脉动及其所造成的各向异性,基于多尺度概念,该文建立了颗粒相的双尺度湍流模型,包括颗粒相大尺度脉动湍动能方程,小尺度脉动湍动能方程,大尺度脉动能量传递率方程,小尺度脉动耗散率方程等。利用该模型对循环流化床提升管内的稠密气固两相流动进行了数值模拟,所得颗粒浓度及速度分布和实验数据吻合较好,该模型的结果较kf-ef-kp-ep-q两相湍流模型的结果有所改进。     

用拉格郎日法对气固两相流动的数值模拟

在火力发电设备中，广泛存在着气固两相流动的问题，用计算机对气固流动进行模拟研究已成为重要手段骼欧拉方法对单相相介质流动和稀相范围的大两相流动进行数值模拟，已经得到广泛的应用。而对于浓相范围的气固流动，如流化床锅炉中的煤颗粒输送和床内沸腾等，由于颗粒场的客观不连续性，采用欧拉方法所得到的模拟结果与实际情况有很大偏差。随着计算机容量和计算速度的快速发展，应用拉格朗日法对浓相范围的气固两相流动进行数值模     

用拉格朗日法对气固两相流动的数值模拟

在火力发电设备中，广泛存在着气固两相流动的问题，用计算机对气固流动进行模拟研究已成为重要手段。用欧拉方法对单相介质流动和稀相范围的气固两相流动进行数值模拟，已经得到广泛的应用。而对于浓相范围的气固流动，如流化床锅炉中的煤颗粒输送和床内沸腾等，由于颗粒场的客观不连续性，采用欧拉方法所得到的模拟结果与实际情况有很大偏差。随着计算机容量和计算速度的快速发展，应用拉格朗日法对浓相范围的气固两相流动进行数值模拟已成为可能。本文应用拉格朗日法成功地对漏斗流的运动进行了数值模拟，取得了与实际极为一致的模拟结果。图１参６     

流化床气固相间脉动能量作用分析

以气相大涡模拟–颗粒相二阶矩双流体模型为框架,类比Simonin气固相间脉动能量二阶作用模型,考虑气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递,提出气固相间脉动能量二阶作用项,建立气固相间脉动能量二阶作用模型。比较了Koch模型与修正后的Simonin模型的模拟结果,研究了不同模型下气固相间脉动能量随颗粒浓度分布的变化规律。分析了气固相间脉动能量作用对颗粒浓度和速度等宏观物理量的影响,发现脉动能量作用对宏观物理量影响很小。分析了气固相间脉动能量作用对气相亚格子湍动能和颗粒相速度脉动二阶矩等微观物理量的影响,模拟结果表明,考虑脉动能量作用后亚格子湍动能与亚格子能量耗散的模拟值升高;颗粒速度脉动二阶矩的模拟值也升高。     

基于蒙特卡罗法的脱硫塔内气固流动数值模拟

用欧拉法处理气相场的同时用基于拉格朗日法的直接数值模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)法处理离散颗粒场,对循环流化床烟气脱硫塔内气固两相流动特性及其优化进行了数值模拟。基于非结构网格进行数值求解,采用四向耦合方法严格地考虑颗粒-流体、颗粒-颗粒、颗粒-器壁间相互作用,并应用高效的非结构网格搜索法,实现气固相间一一映射的耦合作用与反馈。获得了加装导流板组前后,脱硫塔内气固流动特征、轴向速度分布以及固相颗粒浓度分布,同时对影响颗粒停留时间及颗粒碰撞率的关键因素进行了分析。结果证实了调节脱硫塔内多相流动的必要性与有效性;调节后,塔内两相流动及其分布呈理想对称状态,塔内空间得到了充分利用,各粒径档颗粒停留时间比较一致;颗粒停留时间与气相场分布及颗粒物性密切相关;调节后,床内颗粒碰撞率明显低于调节前。     

喷动床颗粒粒径对提升管团聚特性影响的三维数值研究

采用离散单元方法(DEM),对喷动床提升管内稠密气固两相流动过程进行了三维数值模拟。颗粒相采用拉格朗日法,考虑了颗粒间及颗粒与气相间的相互作用,颗粒碰撞采用软球模型;气相采用欧拉法,利用标准k-ε模型模拟气相的湍流流动。通过对颗粒和气体流动行为的分析,获得了提升管内部稠密颗粒相的分布,并考察了颗粒粒径对提升管颗粒团聚特性的影响。结果表明,当颗粒的粒径较小时,提升管壁面处发生大规模的颗粒团聚,颗粒的分布不均匀;随着颗粒粒径的增大,颗粒团聚现象得到明显改善;当颗粒粒径为160μm时,沿着提升管高度方向的颗粒分布比较均匀,无团聚现象。通过计算分区的方法统计提升管内各区域颗粒数量百分比,统计结果与数值模拟结果吻合较好。     

流化床炉内颗粒混合的离散单元法数值模拟

为了更好地研究流化床内复杂的运动和颗粒间的混合情况,为流化床的设计及优化提供参考,采用欧拉–拉格朗日坐标系下的离散单元法软球模型在二维空间对单孔射流流化床内气固两相流动进行了数值模拟。其中颗粒相采用离散单元法,气相的计算采用SIMPLER算法,气固两相间遵循牛顿第三定律建立耦合模型,并用FORTRAN语言编程计算来实现。在假设不考虑传热、燃烧及颗粒转动的条件下,模拟得到了流化床内上下两层颗粒的运动和混合情况、气固两项的速度分布以及颗粒的浓度分布。模拟结果表明:由于受到空气射流的影响,流化床内存在强烈的颗粒返混和内循环现象。固体颗粒在横向和纵向都存在一定的浓度梯度,在空间中的碰撞次数分布也有不同,颗粒浓度高的地方颗粒碰撞和混合会更剧烈。     

水煤浆水平管内流动特性数值模拟

基于颗粒动理学理论,采用Eulerian多相流模型对水平管内水煤浆流动进行模拟,并采用RNG k-e湍流模型描述颗粒间具有强烈作用的两相湍流流动。将具有双峰分布特性的煤粉颗粒看作直径不同的 2 种固相,同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换。模型的有效性通过与计算相同条件下的压降试验值验证。在此基础上,通过模拟考察入口流速和浓度等因素对浓度分布、速度分布及压降的影响。结果表明：重力因素及不同颗粒相间的相互作用是影响颗粒相管内浓度分布和速度分布的根本原因。     

垂直管煤粉高压密相气力输送特性的模拟研究

基于颗粒动力学理论,采用k-e-kp-e p湍流模式,对垂直管内高压密相上升流的三维流动行为进行了数值模拟,其颗粒浓度高达30%,并对部分模拟结果进行了实验验证。模拟过程中考虑了气固两相之间的湍流相互作用,得到了两相速度分布、浓度分布和湍流强度分布,考察了表观气速、输送压力和煤粉粒径对流动行为的影响。模拟结果显示：表观气速的增加导致压降梯度先减小后增加,导致煤粉浓度减小;输送压力的减小导致压降梯度减小;煤粉粒径的增加导致压降梯度增加。通过实验得到了表观气速和输送压力对压降梯度的影响。数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

回料阀内气固两相流动特性的数值研究

为揭示回料阀内的负压差粘性滑移流动特性,基于浓相颗粒动力学理论,建立欧拉-欧拉模型对回料阀内的气固两相流动进行数值模拟研究,通过改变回料阀流化风和松动风风速、颗粒循环流率及回料腿出口背压等条件,详细分析了各工况下回料阀内的颗粒浓度分布、压力分布及气体反窜特征等,揭示了回料阀中的气固两相流动结构和变化特点。结果表明,回料阀中存在气体反窜现象;流化风和松动风风速越高,形成的气泡越多,气体反窜率越大;增加颗粒循环流率,颗粒携带气体现象更显著,气体反窜率减小;每增加返料腿出口背压1 000 Pa,料高增加约0.06 m,逆压差流动阻力增加,气体反窜率增加。     

环栅喷淋泡沫塔欧拉–离散相模型三相除尘模拟

采用欧拉(Euler)多相流模型与离散相模型(discretephase model,DPM)对脱硫除尘实验装置内部的气液固三相流流动进行三维湍流数值分析。在Euler坐标系中采用双流体模型来表述气液两相的相互耦合,同时在拉格朗日坐标系中考察颗粒的运动,把烟尘颗粒对气液两相的影响耦合于双流体模型中。通过对流场数值模拟计算结果的实验验证,得出此数学模型的可行性;分析脱硫除尘塔内部流场流动,得出气液固三相流特征,为脱硫模拟及结构优化设计提供依据;得出脱硫除尘塔除尘效率与颗粒粒径、进气风速、喷淋液气比等参数的相互关系;得出脱硫除尘塔进出口压差与烟气流量、液气比、烟尘浓度等参数的相互关系。     

气固喷射器内气固两相流动三维数值模拟

利用拉格朗日和欧拉法相结合的三维数值模拟技术,对收缩型气固喷射器内的气固两相流动进行数值模拟研究.该文的数值模型考虑了气固两相的双向耦合作用以及颗粒碰撞.在他人研究结果的基础上,分析推导出密相气固两相流中固体颗粒运动动能与携带流体的动能之间的新的转换关联式.文中通过对气固喷射器内气固两相流流动的模拟计算,发现驱动气体在喷射器中心会形成一相对“稳定”的射流区域,而固体颗粒也存在积聚区,针对喷射器内存在固体颗粒堆积现象,本文对气固喷射器的结构设计提出了相应的改进措施.     

高通量循环流化床上升管气固流动特性实验研究

以直径0.06 m、高5 m的高通量循环床提升管中气固两相流大量试验数据为基础,考察在高颗粒循环量和较高气体表观流速下,平均粒径为140 mm、密度为2 700 kg/m3的Geldart B 类颗粒气固流动特性。试验发现,截面平均颗粒浓度分布总体上为下浓上稀,并随操作气速的增大而减小,悬浮上升流动结构区域随着颗粒循环速率的增大而向上延伸。滑移因子、截面平均颗粒浓度与无量纲滑移速度之间存在显著相关性。此外,床层总压降和截面平均颗粒浓度随固气质量比的增加而增加,在上升管下部截面平均颗粒浓度受固气质量比的影响比上部大。     

采用多元颗粒模型对圆柱形颗粒在移动床中流动的离散单元法直接数值模拟

为了研究活性焦颗粒在移动床内的流动特性,通过离散单元法直接数值模拟方法对活性焦即圆柱形颗粒在移动床内的流动进行了数值模拟。采用多元颗粒模型来描述圆柱形颗粒,即圆柱形颗粒通过几个叠加在一起的球元构成。建立了圆柱形颗粒的碰撞机制,分析了圆柱形颗粒在流动时的受力情况,并通过实验验证多元颗粒模型的可靠性。从宏观和微观2个方面,比较圆柱形颗粒2种构建方式(2球元和3球元)下的模拟结果。结果表明:2球元和3球元构建的圆柱形颗粒在动能、转动动能、变形量、碰撞力、碰撞次数等微观方面的差别较大。且通过比较颗粒位置图和下料率可以看出,3球元圆柱形颗粒的模拟结果与实际结果更加相符,因此,选择3球元作为圆柱形颗粒的构建方式。