气固流化床内射流穿透深度的CFD模拟及其实验验证

在经典的Gidaspow无黏性双流体模型中考虑离散颗粒对流体和固体动量守恒方程的影响后,建立了一个具有模拟大规模流化床内气固两相流体动力学特性潜在优势的简化数学模型。在CFX4.4商业化软件平台上通过增加用户自定义子程序考察了二维气固流化床(高2.00 m、宽0.30 m)内射流气速、喷嘴尺寸、环隙气速和静床高度对射流穿透深度的影响,并以树脂颗粒(粒径670 μm、密度1474 kg·m^-3)为研究对象在厚度为0.025 m的矩形床内进行了对比实验。结果表明,选取空隙率为0.8的等高线作为射流边界比较合适;射流穿透深度随射流气速或射流喷口尺寸的增加而增大;射流周围环隙气速由0变到最小流化速度时,射流穿透深度随环隙气速增加而增大,在最小流化速度时达到最大值,然后随环隙气速增加单调减小,当环隙气速大于2.5倍最小流化速度时,射流穿透深度减小程度变缓;在相同射流气速下射流穿透深度随着静床高度的增加而减小,静床高度对射流穿透深度的影响随着射流气速增加呈现扩大的趋势。     

超细粉在内循环流化床中的流态化特性

在内径120 mm的半圆柱形内循环流化床中,以平均粒径387 nm的Ti O2为原料,考察了单独通入流化气、射流气和同时通入流化气和射流气三种流化方式下超细粉的流化特性以及射流气速对超细粉聚团尺寸的影响。结果表明:同时通入流化气和射流气时,流化气能促进粉体循环,消除环隙死区;高速射流能有效破碎聚团,显著减小聚团尺寸,从而使超细粉在环隙区与导流管之间形成稳定循环,小聚团在环隙区实现平稳流态化。随着射流气速的增大,聚团尺寸减小,粒度分布变窄,在射流气速分别为60,90,120,150 m/s的条件下,聚团平均直径分别为194,158,147,135μm。     

超细粉颗粒在内循环流化床中的流化特性

本文以平均粒径为387nm的TiO2超细粉为物料,在半圆柱形内循环流化床中对其流化特性进行了实验研究,结果表明:流化气能促进粉体循环,减小甚至消除环隙死区;高速射流可以有效的破碎聚团,减小环隙区聚团的尺寸,并使其在环隙区与导流管之间形成稳定循环。在一定的射流气速和流化气速条件下,TiO2超细粉可以在环隙区实现流态化,同时在环隙区和导流管之间形成稳定循环。     

内循环微型流化床流动特性

针对开发适用于化学气相沉积反应动力学研究的微型流化床反应分析仪的应用需求,研究了外径为30 mm的内循环微型流化床中气固流动特性,具体考察了中心射流管伸入高度、内导流管直径和颗粒装载量对实现固体物料内循环的最小操作气速和导流管与环隙区间窜气的影响。结果表明,随着射流管伸入高度的增大,实现颗粒内循环流动的最小操作气速变大;存在最优的导流管直径（20 mm）,使得实现颗粒环流的最小操作气速较小;增大颗粒装载量有利于降低颗粒内循环的最小操作气速。通过检测示踪气体在环隙区内的质谱信号,发现在所考察的参数范围内,反应器底部不存在导流管区向环隙区的窜气;在反应器上部,由于颗粒对气体的夹带,环隙区上部总能检测到示踪气体,且窜气特性随操作气速的增大而增强。研究结果可为设计适用于化学气相沉积反应的内循环微型流化床反应器提供参考。     

内循环微型流化床流动特性

针对开发适用于化学气相沉积反应动力学研究的微型流化床反应分析仪的应用需求,研究了外径为30 mm的内循环微型流化床中气固流动特性,具体考察了中心射流管伸入高度、内导流管直径和颗粒装载量对实现固体物料内循环的最小操作气速和导流管与环隙区间窜气的影响。结果表明,随着射流管伸入高度的增大,实现颗粒内循环流动的最小操作气速变大;存在最优的导流管直径(20 mm),使得实现颗粒环流的最小操作气速较小;增大颗粒装载量有利于降低颗粒内循环的最小操作气速。通过检测示踪气体在环隙区内的质谱信号,发现在所考察的参数范围内,反应器底部不存在导流管区向环隙区的窜气;在反应器上部,由于颗粒对气体的夹带,环隙区上部总能检测到示踪气体,且窜气特性随操作气速的增大而增强。研究结果可为设计适用于化学气相沉积反应的内循环微型流化床反应器提供参考。     

大型射流流化床的流型转变与射流深度

在高 8m、直径 0 .5m的大型射流流化床中 ,通过摄像分析法 ,研究了射流、喷流两种流型的转变 .结果表明在低静床高、大射流气速下易出现喷流 ;喷流出现时 ,功率谱主频射流气速曲线上出现一转折点 .转折点射流气速与摄像法得出的流型转变射流气速相同 .提出了射流、喷流流型转变关系式 .同时发现射流深度随射流气速变大而增大 ,结合二维射流床射流深度的研究结果 ,得出了射流深度的预测式     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

大型单射流流化床的流动特性

在φ500mm×8000mm的大型单射流半圆形流化床中,采用内径为42mm的半圆形射流管,以小米为实验物料,利用摄像法研究了射流气速、静床高度与射流深度的关系,得出了射流深度的定量关联式．藉PC—4光导纤维测浓仪,研究了大型射流流化床径向、轴向空隙率分布规律,最后得出了射流区各点空隙率分布的定量关系式．     

导向管喷动床内单相流场及声波对流场影响的数值模拟

为阐明超细粉在声场导向管喷动流化床内的流化机理,并为进一步优化和完善床层结构及操作条件提供基础,采用标准k-ε湍流模型计算了导向管喷动流化床内的单相气体流场,考察了进口流化气速和射流气速对气体流动规律的影响,以及声场对导向管喷动流化床内气体轴向速度分布及其脉动均方根的影响。结果表明:在高速射流条件下,导向管喷动流化床内气体呈内循环流动,气体循环流量随流化气速度的增加而减小,但随射流气速度的增加而增加;外加声场使环隙区和喷泉区的气体流动更加均匀,显著增加环隙区和喷泉区气流的湍动程度,且湍动程度随声压级的增大而显著增大,随声波频率的升高而小幅度降低。     

气固流化床中侧向射流穿透深度的研究

本文以小米和两种硅胶为物料，在314×25mm的二维射流流化床中，用摄像法研究侧向射流穿透深度，并得到了关联式，误差小于25％．当射流倾角变化范围不大、并忽略射流位置的影响时，可以得到简化公式，误差小于40％使用基于对流体模型的计算机程序进行模拟，分析了射流产生的机理，研究了射流气速、直径、倾角和位置对射流穿透深度的影响．模拟值和实验值较吻合．     

大型双射流流化床的流体动力学特性

在Ф0 .5m× 8m大型双射流流化床中 ,通过摄像、放像逐帧分析法和sthVCD软件分析录像转换的VCD ,得到了不同管间距下双射流典型的运动图像 .同时研究了两射流独立存在区、过渡区和射流合并区 3种流型的相互转变 ,得出了流型转变的关系式 .不同射流管间距下相同射流气速的射流深度相比 ,管间距减小则射流深度减小 ;在较小的管间距和相对高的射流气速下 ,两射流在射流深度之内始终合并 ,表现为射流合并高度 .得出了射流深度、射流合并高度的定量关系式 .分数维关联维数表明大型双射流流化床是一个确定性混沌系统 ,考查了管间距、静床高度对关联维数的影响     

Jet penetration depth in a two-dimensional spout-fluid bed

The jet penetration depth was proposed to be an important parameter to describe the jet action during the chemical process of spout-fluid bed coal gasification. A two-dimensional cold model of a spout-fluid bed coal gasifier with its cross section of and height of 2000 mm was established to investigate the jet penetration depth. Four types of Geldart group D particles were used as bed materials. A multi-channel pressure sampling system and a high-resolution digital CCD camera were employed for experimental investigations. The effects of spouting gas velocity, spout nozzle diameter, static bed height, particle property and fluidizing gas flow rate on the jet penetration depth have been systematically studied by pressure signal analysis and image processing. Experimental results indicate that the jet penetration depth increases with increasing spouting gas velocity and spout nozzle diameter, while it decreases with increasing particle density, particle diameter, static bed height and fluidizing gas flow rate. Additional, a new correlation considered all of the above effects especially static bed height and fluidizing gas flow rate, was developed for predicting the jet penetration depth in spout-fluid beds. The correlation was compared with published experimental data or correlations, which was in well agreement with the present experimental results and some other references.     

流化床中射流机制和双射流相互作用

在文献的基础上, 通过实验和模拟的方法研究了射流机制和双射流的相互作用. 采用一个300 mm′51 mm的两维气固流化床,内置两个垂直射流, 使用多路毕托管系统测量射流穿透深度. 使用描述气固流态化的双流体模型进行模拟,用改进的IPSA求解模型方程,通过数值模拟, 讨论了射流产生的机理, 再现了双射流, 并发现双射流的相互作用可分为三类：孤立射流、过渡射流和互作用射流,提出了相应的射流间距判据. 发现影响双射流穿透深度最主要的因素是射流动量、两相间曳力、射流间距和床层表观气速, 建议使用Froude数、Reynolds数、床层表观气速、射流间距和喷口直径来关联不同区域的射流穿透深度. 得到了一个关联式并与文献中的关联式或实验数据做了比较.     

多组分射流床中的射流深度

采用多路毕托管、电磁阀、微压传感器检测技术，考察了气固射流流化床中GeldartB、D类的单一物料及混合物的射流深度．指出物料的平均密度或粒径的增加都会造成射流深度的降低；得到的包括气团惯性准数在内的经验关联式能成功地预测多组分床层的射流深度．     

Study of horizontal sonic gas jets in gas–solid fluidized beds

Existing jet penetration correlations have all been developed for sub‐sonic gas jets and have been found to perform poorly when employed in sonic and supersonic regimes. In the present study, triboelectric probes were used to measure both the penetration depth and expansion angle of sonic gas jets. Experiments were conducted using nozzles of different size and geometry, different particle types, different injection gases, and different fluidization velocities. All these data were used to develop a new, general correlation to predict the penetration depth of sonic gas jets. The effects of these variables on jet expansion angle were also studied.     

流化床内垂直向上射流脉动特性的试验研究

本文利用图像处理技术,得到了二维流化床内垂直向上射流深度的时间序列。基于Ｒ／Ｓ分析方法,得到了表征射流脉动强弱的Ｈｕｒｓｔ指数和分数维。研究了流化数、射流初始速度、颗粒平均粒径及静态床层高度对射流脉动特性的影响。结果表明：垂直向上射流的脉动随射流初始速度、流化数、静态床层高度以及颗粒平均粒径的增加而减弱。     

Prediction of jet penetration depth based on least square support vector machine

Experiments to investigate the jet penetration depth were carried out. The jet penetration depth increases with the increase of spouting gas velocity, spouting nozzle diameter and carrier gas density, but decreases with the rise of the static bed height, particle density, particle diameter and fluidized gas rate. The intelligent model to predict the jet penetration depth has been established based on least square support vector machine and adaptive mutative scale chaos optimization algorithm. The prediction performance of the intelligent model is better than empirical correlations and neural network.     

网格尺度、时间步长和颗粒堆积率对射流床CFD模拟的影响

采用欧拉-欧拉双流体模型,在CFX4.4软件上增加用户自定义子程序模拟了高2.0 m、宽0.3 m的二维射流床内空气和玻璃珠体系的流体动力学特性. 考察了网格尺度、最大颗粒堆积率和时间步长对射流的形成及发展过程、射流穿透深度及射流频率的影响,并与实验数据进行了对比. 结果表明,对于本研究的气固体系,当床层下部纵向网格数为100、时间步长0.0005 s时,不仅可以满足网格尺度和时间步长的无关性要求,而且模拟的射流穿透深度和射流频率与实验测量值的误差分别为5.7%和3.8%. 最大颗粒堆积率在本研究范围对模拟结果的影响可以忽略.