模拟颗粒流动的离散元方法及其应用

介绍了离散元 (DEM)方法的基本原理、颗粒运动控制方程和颗粒相互作用力的数学模型。综述了DEM在流化床和固定床反应器 ,以及一些单元操作如料仓卸料过程、混合过程等中的最新应用和研究结果 ,表明DEM能够反映过程的本质机理 ,可以利用基本的数据模拟复杂的颗粒流动系统。最后指出了DEM发展中亟待解决的问题     

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。     

基于离散单元法的丝状颗粒传热数学模型

丝状颗粒作为一类长径比较大的非球形颗粒,其传热特性及相关技术广泛应用于工农业生产的诸多领域。但目前颗粒在运动过程中传热问题的研究还很不充分,特别是对于丝状颗粒,更是缺乏有效的数学模型进行描述。从颗粒传热机理出发,提出了一种基于离散单元法的丝状颗粒传热模型,模型中综合考虑了颗粒碰撞（接触）传热、颗粒的内部导热以及颗粒与气体间的对流换热。利用该模型,对固定床中堆积丝状颗粒的热量迁移过程进行了数值模拟,着重比较了各种传热方式对传热过程的影响。研究表明,对流换热对整体传热量的贡献较大。此外,还获得了不同工况下颗粒温度随时间的变化规律。     

Rushton搅拌釜内的气含率分布及其流动特性的模拟

利用雷诺应力模型结合多参考系法模拟了Rushton气液搅拌釜内的气液流动特性,得到了不同截面处气含率大小分布规律,并与γ射线CT实验所测得的结果做了比较,发现除排出流区CFD模拟值与实验值相差较大外,上循环区与下循环区都吻合得较好;结果表明排出流区的气含率最高,在搅拌桨高速旋转下,流体沿叶片端面急速排出,湍动也十分强烈...     

气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟

为了探索气固流化床内宽筛分硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用Eulerian气固多相流模型及SIMPLE算法,模拟了二维气固流化床内不同粒级硅粉颗粒在不同操作件下的气固流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,研究了床内气固两相的流动特性.结果表明:模拟计算值与实验值吻合较好,最大相对误差为10...     

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。     

搅拌釜中湍流流场和细长颗粒取向的模拟

采用两流体模型和改进的内外迭代法模拟了搅拌釜中固相为细长颗粒的液固两相湍流流场,采用标准的κ-ε模型封闭,用SIMPLE算法求解压力.模拟结果与搅拌釜中固相为球形颗粒时的流场进行比较,速度场基本相同,仅釜中心处速度略有差别.对细长颗粒取向模拟时,与以往文献多以Jeffery方程为研究出发点不同,本文作者直接利用刚体颗粒的运动和转动方程,得到搅拌釜中细长颗粒取向的变化规律.     

分解槽搅拌过程数值模拟研究

建立了一个工业分解槽的计算流体力学CFD模型,采用稳态多重参考系法以及欧拉一欧拉多相流模型对槽内固液两相搅拌过程进行数值模拟计算。分析了流体速度分布、颗粒相分布以及搅拌功率变化过程。     

半固态搅拌制SiC颗粒增强镁基复合材料过程的数值模拟

采用商用的计算流体动力学(CFD)计算软件Fluent对SiC颗粒增强镁基复合材料搅拌过程进行动态模拟,研究了不同搅拌速度、搅拌时间及温度对于SiCp/AZ91(SiC颗粒增强镁合金AZ91)组织的影响。研究结果表明,搅拌时间和搅拌速度对于SiCp/AZ91材料成品质量有显著的影响,搅拌速度的增加有助于SiC颗粒的分散,但速度过快导致液面起伏较大,大量气体进入镁液中,最终使成品中气孔较多。而在搅拌时间方面,当时间较短时,SiC颗粒未充分与合金液混合,因此出现大片SiC颗粒团聚现象。随着搅拌时间的延长,团聚的颗粒逐渐向镁合金液中均匀分散,当搅拌时间为15 min时,SiC固相颗粒与镁合金液所组成的混合相最为均匀,此时继续延长搅拌时间,其固相颗粒的宏观均匀性并未发生进一步变化。根据模拟和试验的结果得出最佳的搅拌时间为15 min,搅拌速度为300 r/min。     

基于EMMS范式的离散模拟及其化工应用

化工过程通常涉及化学、化工、过程系统工程3个层次,而每个层次又包含微尺度、介尺度和宏尺度,如化工层次的颗粒、颗粒团和反应器尺度。每个层次中的微尺度单元都自然适用离散模型,即通过跟踪每个单元的运动获得整个体系演化的宏观规律。但由于单元数量巨大,工程模拟往往依赖经过统计平均的连续介质模型。由此带来的精度问题,特别是忽略了介尺度结构的问题,随着对化工过程效率和绿色度等要求的提高而日渐突出。介绍了通过问题、模型、软件和硬件结构的一致性提升离散模拟的精度、能力和效率的方法、进展及其在复杂分子体系、颗粒流、气固流态化等方面的应用,展示了通过离散模拟实现虚拟过程工程的可能性。     

Numerical Simulation of Macroscopic Mixing in a Rushton Impeller Stirred Tank

The macroscopic mixing in a stirred tank with different tracer injection locations, impeller speeds and impeller positions is simulated numerically by solving the transport equation of the tracer based on the whole flow field in the baffled tank with a Rushton disk turbine numerically resolved using the improved inner-outer iterative procedure. Predicted mixing time is compared well with the literature correlations. The predicted residence time distribution of the stirred tank is very close to the present experimental results. The effect of the installation of a draft tube on the mixing time and residence time distributions is addressed.     

Rushton桨搅拌槽中气液两相流动的全流场数值模拟

The gas-liquid flow field in a stirred tank with a Rushton disk turbine,including the impeller region,was numerically simulated using the improved inner-outer iterative procedure.The characteristic features of the strirred tank,such as gas cavity and accumulation of gas at the two sides of wall baffles,can be captured by the simulation.The simulated results agree well with available experimental data.Since the improved inner-outer iterative algorithm demands no empirical formula and experimental data for the impeller region,and the approach seems generally applicable for simulating gas-liquid stirred tanks.     

用改进的内外迭代法数值模拟Rushton涡轮搅拌槽流场

在有挡板的搅拌槽中，受搅拌桨驱动的液体在挡板的作用下会产生复杂的三维湍流流动.利用“快照”法思路和改进的内外迭代法及k–e湍流模型对Rushton涡轮有挡板的搅拌槽进行了整体数值模拟. 同文献中的实验数据进行了比较，模拟值同实验值基本吻合. 改进后的内外迭代法不依赖经验公式和实验数据，有一定的通用性.     

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.     

涡轮桨搅拌槽内单循环流动特性的大涡模拟

利用大涡模拟方法研究了涡轮桨搅拌槽内的单循环流动特性,采用Smagorinsky-Lilly动力亚格子模式,与文献实验及模拟数据进行了详细的比较. 结果表明,叶片后方的双尾涡偏向槽底运动,上尾涡在30o处已开始衰减. 800000个非均匀分布的计算网格和30个桨叶旋转周期的样本数据统计可获得准确的大涡模拟数据. 时均速度、均方根速度和湍流动能的大涡模拟值与实验数据一致,而k-e模型的模拟值与实验不符. 桨叶区呈现较强的各向异性,这是导致k-e模型预测不准确的主要原因. 对于搅拌槽内的复杂流动,大涡模拟方法是一个非常有效的工具.     

搅拌槽内的Rushton桨叶周围流场的PIV测量

In this paper, particle image velocimetry (PIV) was used to measure the mean and root mean square(RMS) velocity in the stirred tank with six-flat blade Rushton turbine and with no baffles. Two types of motion patterns were studied. One was that the impeller runs at constant speed, the other was that the impeller runs at time-dependent speed and in a periodic way. The emphasis of the paper was on the comparison of mean and RMS velocity vector maps and profiles between these two types of motion patterns, and especial attention was paid to the comparison of the mean velocity, time-averaged RMS velocity, phase averaged RMS velocity between the constant 3 RPS (revolution per second) and time-dependent operation. The Reynolds number was between 763 and i527. The study explained the mechanism that time-dependent RPS is more efficient for mixing than that of constant RPS.     

涡轮桨搅拌槽内流动特性的大涡模拟

利用大涡模拟方法研究了涡轮桨搅拌槽内的流动特性,采用了三种亚格子模式:标准Smagorinsky-Lilly模式(SLM)、Smagorinsky-Lilly动力模式(DSLM)和亚格子动能动力模式(DKEM),并将模拟结果与标准k-ε模型及文献实验数据进行了详细的比较.结果表明:大涡模拟方法可获得搅拌槽内的瞬态流场;对桨叶区时均速度及湍流动能的预测与实验数据相吻合,比标准k-ε模型计算结果有明显改进,三种亚格子模型中DSLM和DKEM模拟结果更好.同时分析了大涡模拟中桨叶端部附近湍流动能估计偏差的原因,发现主要是由于对轴向湍流均方根速度的预测偏差造成的.大涡模拟方法为搅拌槽内非稳态、周期性的湍流流动和湍流特性的研究提供了强有力的工具.     

上浮颗粒特性对三相搅拌槽内固-液悬浮及气-液分散的影响

在直径为0.476m(T)的椭圆底有机玻璃搅拌槽中,采用作者此前研究优选的多层组合桨(HEDT WHD WHU),分别选用粒径在0.5至4mm、密度范围在900至955kg(m(3的聚丙烯(PP)颗粒及粉料、低密度聚乙烯(LDPE)颗粒、高密度聚乙烯(HDPE)颗粒作为上浮固体,操作液位为1.5～1.8T,研究了颗粒特性及操作液位对空气-水-上浮固体三相体系的固-液悬浮及气-液分散性能的影响.结果表明:对于同种颗粒,其表面状态对悬浮特性有较大的影响,颗粒表面因含有少量残余溶剂而呈现部分憎水特性时,达到液面处颗粒停留时间不大于1～2秒的临界悬浮状态所需搅拌转速及输入功率显著增加;此时减少上层桨与液面的距离对降低临界悬浮转速及功率有较大贡献.当颗粒种类不同,表面状态及粒径相近时,液固密度差越大,所需悬浮转速越高;但相同输入功率及表观气速时的气含率相差不大.液固密度差相近时,颗粒越小越易被悬浮,但颗粒越小浓度增加使三相体系的气含率降低的幅度越大.对于不同颗粒所得气含率关联式及悬浮特性研究结果可为工业气液固搅拌槽/反应器的优化设计提供参考.     

Flow Field Around Rushton Turbine in Stirred Tank by Particle Image Velocimetry Measurement

In this paper, particle image velocimetry (PIV) was used to measure the mean and root mean square(RMS) velocity in the stirred tank with six-flat blade Rushton turbine and with no baffles. Two types of motion patterns were studied. One was that the impeller runs at constant speed, the other was that the impeller runs at time-dependent speed and in a periodic way. The emphasis of the paper was on the comparison of mean and RMS velocity vector maps and profiles between these two types of motion patterns, and especial attention was paid to the comparison of the mean velocity, time-averaged RMS velocity, phase averaged RMS velocity between the constant 3 RPS (revolution per second) and time-dependent operation. The Reynolds number was between 763 and 1527. The study explained the mechanism that time-dependent RPS is more efficient for mixing than that of constant RPS.