管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

微旋流混合器中液体混合特性CFD-PBM数值模拟

微旋流混合器是一种由微旋流气浮演化而来的设备，可以强化物料的混合与传质。文中研究利用CFD-PBM计算模型，研究微旋流混合器内气液两相分布，考察微旋流混合器内流体颗粒粒径分布及变化特性。分别以空气和液相作为气液两相，研究不同气、液相入口流速下的流场形态与相关流体力学参数。结果表明：通入气相会诱导设备内部产生新的循环流动形态，增强宏观混合，直径大于4.0 mm的气泡无法在内筒中的旋流环境中稳定存在，并随着旋流速度逐渐减小，气泡发生聚并，最终演化为4.0—10 mm直径的气泡流出。增加液相入口速度可以增加整体流动速度，同时增加气相体积分数，气相体积分数最高可达到18%。随着气相流速增加，在微旋流混合器内筒下端形成连续空腔。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

水平弯管内水合物浆液流动安全分析

以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响该系统中水合物颗粒最大体积分数的3个因素(入口水合物体积分数、流速和粒径尺寸)进行分析。结果表明:水合物粒径较小时,弯管系统中水合物最大体积分数与速度之间趋近于线性关系,而随着水合物颗粒粒径的增大,弯管系统中水合物的最大体积分数变化趋势趋于平缓;水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,随着流速加快,水合物最大体积分数受粒径影响逐渐减小;增大浆液运行速度可以使得弯管系统中水合物最大体积分数会有一定的稳定性,但同时也会导致弯管外拱璧的压力增大、弯管内壁处压力急剧降低,加剧管道腐蚀,大大毁坏了管道结构。     

流动体系下水合物生成及其影响的CFD-PBM数值模拟

海底油气混输管线因水合物生成引起堵塞问题备受关注。基于CFD-PBM模拟海底管道实际工况下水合物的生成过程,分析水合物生成对气泡的聚并和破碎行为及各相流速的影响,结果表明:当管道的运行环境达到水合物形成条件时,在气液界面逐渐有水合物生成,并在管壁上方堆积。水合物生成消耗一定量气体,导致压降降幅增大,同时产生的水合热导致局部温度升高,但传热受阻使得流体温度提升较小。没有水合物生成时,气泡以聚并为主,气泡直径分布较窄且相对均匀。水合物生成后,气泡大小分布范围变宽,但主要集中在较小直径范围。水合物在气液界面生成并在管壁上方堆积,导致流速局部分布不均,相间滑脱加剧。研究管道流动体系下水合物生成及其影响为管输水合物浆液的稳定安全流动提供理论参考。     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比，从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明，CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后，可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势，当压力升高时，气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大，气泡破碎速率减小，气泡尺寸分布变宽，曳力显著下降，气含率随之降低。随表面张力减小，气泡破碎速率增大，气泡变小，气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性，原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

装配水平筛板的气升式反应器中气液传质特性的数值模拟

利用Turbulent–Lehr组合模型对装配水平筛板的气升式反应器进行了计算流体力学(CFD)模拟,研究水平筛板对气含率、气泡直径、体积传质系数(kLa)和气液流速的影响。结果表明,筛板对气相的囤积作用和对液相的阻碍作用增加了反应器的整体气含率。筛板对气相的二次均布作用减弱了筛板和液面之间区域的气泡聚并过程,筛板筛孔对气泡的破碎作用产生了大量小于初始直径的气泡,增加了气泡比表面积(a);筛板对液相的阻碍作用提高了筛板附近的气–液相流动速度差,从而提高了该区域的液膜传质系数(kL),强化了反应器内的气液传质效果。     

四氢呋喃水合物浆流动特性

利用实验环道进行了水合物颗粒体积分数为0～65.2%的四氢呋喃(THF)水合物浆的流动实验。管道生成四氢呋喃水合物后,水合物浆的压降梯度随着流速的增加而增加;随水合物体积分数的变化存在一个临界体积分数,当管道中的水合物体积分数小于临界值时,压降随体积分数的增加而出现很小的增加,管道中水合物呈稀浆状,浆体为牛顿流体;当管道中体积分数大于临界值时,压降梯度随体积分数的增加急剧增加,管道中水合物呈泥状,浆体为Bingham流体。临界体积分数随着浆体流速的增加而增大,在0.5～3.5m/s的范围内,临界体积分数为39.4%～50.4%,文中回归了泥状水合物的屈服应力及表观黏度。并根据水合物浆的流动特性分段回归了水合物浆在管道中流动的压降计算公式,实验验证表明回归的计算公式可以比较准确地计算管道中水合物浆流动的压降,可以为THF水合物的流动及其它水合物浆的流动提供指导。     

网格和数值格式对TBPBM-CFD模型模拟鼓泡塔的影响

基于气泡动力学属性的现有认识,把气泡分成大、小气泡,首次建立了完整的双气泡相-群平衡模型(TBPBM)以预测气泡尺寸.通过编写用户自定义程序实现了TBPBM模型、Luo破碎模型以及Prince 聚并模型,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对直径440 mm鼓泡塔进行数值模拟,详细考察了网格与数值格式对TBPBM-CFD模型模拟结果的影响.结果表明,网格与数值格式对各物理变量的模拟结果影响非常大,特别是网格和体积分数方程对流项离散格式的影响最为显著.随着计算精度的提高,湍流耗散率和整体气含率分布梯度增大,气泡平均直径减少,大气泡所占气相比率降低,液相速度及气含率径向分布与实验值更趋吻合.     

空温式气化器管内LNG流动沸腾模拟研究

基于FLUENT软件模拟研究LNG在空温式气化器翅片管内的流动沸腾传热特性,采用VOF多相流模型捕捉管内气液两相区的流型,结合管内对流传热系数变化分析不同流型对气化能力的影响,研究翅片管管内流动沸腾传热的温度场和气化率分布。结果表明：LNG在翅片管内的流动沸腾过程依次出现泡状流、弹状流、搅拌状流3种流型;管内流体与管外空气的换热存在滞后效应,沿管长方向流体的热量增加。气化过程中,管内不同流型对应的局部传热系数不同,近壁面滑移气泡的数量对管内换热有较强的促进作用。局部传热系数与气相体积分数呈倒U型关系,当气相体积分数为0.45时,局部传热系数最大。     

弯管体系内浆液流动分析

针对弯管系统中易在弯头处出现水合物堵塞的现象,以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响弯管系统中水合物颗粒最大体积分数的2个因素(颗粒直径、管径)进行了分析。结果表明:当水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,即随着粒径的增大,水合物的最大体积分数趋近迅速增大的状态,而当浆液流速较快时,水合物最大体积分数受流速影响较大;管径的增大可以减小水合物颗粒直径对弯管系统中水合物最大体积分数的影响,到管道直径达到200 mm时,水合物颗粒直径的变化几乎不会影响水合物最大体积分数。研究结果为水合物浆液混输领域的发展提供理论依据。     

泡状流中水合物生成预测模型及实验

针对可燃冰钻采井筒内易发生水合物生成和堵塞的工程问题,本文开展了泡状流条件下甲烷水合物生成实验,发现流速增加会提高水合物生成速率,黄原胶质量分数的增加会降低水合物生成速率。基于传质理论,构建了适用于可燃冰钻采井筒内泡状流条件下水合物生成预测模型,模型考虑了连续相流体流变性、气泡破裂、聚并和形变等因素对泡状流中气液界面分布和气液间传质规律的影响,并耦合实验数据,提出了气泡群间的综合传质系数经验公式,用于描述气泡间相互作用对气液间传质速率的影响。对比实验结果,所建立模型对水合物生成量和水合物生成速率的预测误差分别在±5%和±15%以内,满足工程计算需求。该模型的构建有助于精准预测油气和可燃冰钻采井筒内水合物风险,为建立经济、高效的井筒水合物防治方案奠定理论基础。     

循环床提升管内轴向压力梯度和物料浓度的分布特性

以3.6m高循环床提升管内轴向不同高度测点的压力数据为基础,分析了管内轴向压力梯度的变化规律,并通过压差法对提升管内轴向物料浓度的分布特性进行了研究,得出了表观气速和物料颗粒粒径的变化对二者的影响。结果显示,提升管内轴向压力梯度沿管上升方向逐渐减小,物料浓度在轴向方向上呈上疏下密的不均匀分布趋势。增加表观气速,可以减小管内上下压力梯度的差异,改善颗粒浓度分布的不均匀程度,减小颗粒流动过程中消耗的总压降。而相对于粗大粒径颗粒,细小颗粒在提升管内流动时轴向压力梯度和浓度分布都更加均匀,整个流动过程所造成气体的总压降也相对更小。     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比,从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明,CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后,可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势,当压力升高时,气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大,气泡破碎速率减小,气泡尺寸分布变宽,曳力显著下降,气含率随之降低。随表面张力减小,气泡破碎速率增大,气泡变小,气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性,原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

基于气泡数密度模型的气体穿越液池过程气泡特性数值模拟

采用考虑了气泡破碎和聚并的平均气泡数密度(ABND)输运方程,并与计算流体力学(CFD)中的湍流双流体模型相结合,建立CFD-ABND耦合计算模型。运用该模型对含固体颗粒气体通过冷却管穿越液池过程中液池内的气泡尺寸和气液界面浓度进行数值模拟。定量获得了液池内气泡尺寸和气液界面浓度分布,并分析了气速变化对其影响规律。结果表明:所建立的CFD-ABND模型能够对液池中的气泡尺寸及气液界面浓度分布等气泡特性进行较好预测;在靠近冷却管外壁面附近区域形成较大尺寸气泡和较高气液界面浓度;液池内隔板的存在有助于气液扰动,使液池内总体的气泡尺寸得到有效降低及气液界面浓度得到提升。     

SCX超细分级机进料管内气固两相流数值模拟

以两相流理论为基础,对SCX超细分级机进料管改进后内部的气固两相流动特性进行了数值模拟。分析了气相压力、速度、湍动能和固相颗粒浓度的分布情况,得到了进料管内气固两相的分布规律。结果表明,加入导流片之后,进料管内气相压力、速度、湍动能径向梯度减小,偏流现象减弱;导流片阻碍了固相颗粒的横向运动,改变了颗粒的运动轨迹,使得颗粒浓度分布更加均匀,为后续的分级提供了良好的基础。     

鼓泡反应器中幂律型流体流动与传质特性

很多废水处理装置涉及非牛顿型流体中的多相流动和传质问题,研究其中的气液传质过程有助于实现装置的优化设计和高效节能运行。以鼓泡反应器内清水和不同质量分数的羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液为实验对象,分别研究气相表观气速和液相流变特性对气泡尺寸分布、全局气含率和体积氧传质系数的影响。实验结果表明,液相的流变特性对其传质特性参数均有较大影响。与清水相比,CMC水溶液中气泡平均直径和分布范围更大;清水和CMC水溶液的全局气含率均随表观气速的增加而增大;CMC水溶液的体积氧传质系数随CMC水溶液质量分数的增加而减小。基于实验研究,得出修正的体积氧传质系数公式和适用于幂律型非牛顿流体流动体系氧传递过程的无量纲关联式,可很好地实现非牛顿流体流动的废水处理装置中气液传质参数的计算。     

Lightnin静态混合器内气液两相混合与传质强化特性

采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡模型(PBM)研究Lightnin静态混合器(LSM)内气泡分散特性，使用不同的破碎核和聚并核函数系统研究雷诺数(Re)、气相体积分数(α_d)和元件数量对气泡分散行为以及混合效率的影响，采用气液界面积和体积传质系数(k_La)量化LSM和Kenics静态混合器(KSM)内气泡破碎性能以及传质速率，基于变异系数(CoV)和流体微元拉伸率分析LSM和KSM的分布混合性能和分散混合性能。结果表明：Luo聚并模型和Prince模型高估了LSM内气泡的聚并效率，通过Luo-Turbulent模型计算的气泡尺寸与实验数值具有很好的一致性；随着Re和α_d的增大，LSM内气泡的分散行为被进一步强化，在高Re的条件下增大元件数量可以显著提高气液传质效率；CoV曲线表明，LSM具有比KSM更好的分布混合性能，3个LSM元件可以保证混合程度大于95%。LSM的分散混合效率是KSM的1.06～1.16倍；基于压力波动信号时间序列，确定了LSM中流型从过渡区向非均匀区转变的临界表观速度。     

鼓泡反应器中幂律型流体流动与传质特性

很多废水处理装置涉及非牛顿型流体中的多相流动和传质问题,研究其中的气液传质过程有助于实现装置的优化设计和高效节能运行。以鼓泡反应器内清水和不同质量分数的羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液为实验对象,分别研究气相表观气速和液相流变特性对气泡尺寸分布、全局气含率和体积氧传质系数的影响。实验结果表明,液相的流变特性对其传质特性参数均有较大影响。与清水相比,CMC水溶液中气泡平均直径和分布范围更大;清水和CMC水溶液的全局气含率均随表观气速的增加而增大;CMC水溶液的体积氧传质系数随CMC水溶液质量分数的增加而减小。基于实验研究,得出修正的体积氧传质系数公式和适用于幂律型非牛顿流体流动体系氧传递过程的无量纲关联式,可很好地实现非牛顿流体流动的废水处理装置中气液传质参数的计算。