受限气固两相射流的实验研究和数值模拟

采用PV4A颗粒测速仪测量受限气固两相射流流场中固体颗粒的速度和浓度并运用CFD软件对颗粒相进行数值模拟,模拟和实验结果基本吻合。结果表明,颗粒轴线速度衰减存在一个峰值而轴线相对浓度在起始段急剧衰减然后趋于平缓;颗粒因为湍流扩散在炉壁上有富集现象,并且相对于小粒径颗粒,大颗粒在壁面富集现象更明显。实验结果对粉煤气流床气化炉的工业应用有重要的参考意义。     

喷嘴收缩角度对射流反应器内颗粒浓度分布及发展的影响

为了强化气固射流反应器内颗粒弥散和气固混合性能,采用光纤探针对不同喷嘴收缩射流颗粒浓度分布规律及其发展特性进行了研究;考察了射流速度和颗粒负载率对颗粒浓度分布、质量、动量和回流通量的影响。结果表明,喷嘴收缩效应使颗粒向射流轴线汇聚形成局部浓相区,收缩角的增大使浓相区向喷嘴靠近。回流卷吸和壁面效应的共同作用使颗粒浓度沿径向呈“多段式”分布特征。颗粒在射流轴线的汇聚和边壁区的富集降低了颗粒分布的均匀性。在射流近场,颗粒的质量和动量通量主要发生在射流剪切层;随剪切层的发展其通量峰值向边壁移动,而近壁区的颗粒回流使质量和动量通量显著增加。     

三通道德士古气化炉冷态数值模拟

利用fluent软件对三通道简化喷嘴德士古气化炉进行冷态数值模拟,主要研究了中心配比对速度场分布、湍流混合、颗粒停留时间的影响。气相湍流采用Realizeable k-ε,颗粒离散相采用了DPM模型。结果表明,中心流体和外环流体通过喷嘴高速射速炉内,形成了明显的射流区、回流区及管流区。其中高速区集中在轴线处,射流区的速度衰减很大。最小颗粒停留时间受中心轴线最大速度的影响显著,回流区对最大停留时间的影响较大。     

Texaco气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟

在直径为1000mm,高4000mm的双通道射流喷嘴的气化炉上,以Texaco气化炉冷模试验为基准对象,将空气经环隙和中心射入气化炉,以氢气为示踪剂,预测环隙和中心射流的混合程度。结合流体质量与动量守恒方程和k-ε湍流模型,用SIMPLER算法计算,对气化炉内的冷态流场和湍流混合进行了模拟,模拟了炉内速度分布、量纲一浓度分布、混合分数分布和轴向衰减的情况。结果显示:气化炉内浓度分布极不均匀;炉内存在富氧和贫氧区;环隙和中心通道射流动量比加大,混合分数沿轴向衰减加快,达到充分混合的时间缩短。模拟结果与冷模试验结果的比较表明计算值与试验值吻合良好。     

射流携带床气化炉内宏观混合过程研究(Ⅰ) 冷态浓度分布

以双通道交叉射流喷嘴为射流源,在直径1000mm、高4000mm的大型冷模装置上,测定了射流携带床气化炉内的冷态浓度分布,考察了喷嘴环隙和中心射流动量比对宏观混合过程的影响;给出了无量纲径向浓度分布、无量纲最大浓度和混合分数的轴向衰减以及无量纲浓度半半径沿轴向的变化规律。     

射流循环DTB结晶器内的CFD模拟

采用RNG k-ε湍流模型对实验室级射流循环DTB蒸发结晶器内的单相流流场进行了数值模拟并优化结晶器结构,用欧拉多相流模型对优化的结晶器进行多相流模拟分析。结果表明,导流筒内射流满足线性扩展,其轴向速度分布基本满足高斯分布。刚进入导流筒内的射流段,轴线速度倒数与流程呈良好的线性关系,随射流的发展,轴线速度加速衰减。在入口直径恒定时,循环速率比随导流筒挡板间环隙面积与导流筒横截面积比的增加呈先增大再减小的趋势,存在最优值。优化的实验级DTB结晶器中导流筒内颗粒浓度分布沿径向方向减小,但基本可实现颗粒浓度较为均匀的分布,其循环速率与单相流模拟结果相比较低。     

双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布

煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。     

双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布

煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。     

顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究

受限旋转射流流场特征的研究对顶置单喷嘴气化炉的开发、结构优化以及长周期稳定运行有重要意义。本文对不同旋流数下顶置单喷嘴气化炉内的速度场和停留时间分布进行了实验研究。结果表明：随着旋流数的增加,切向旋转速度显著增加,气化炉内轴向速度衰减加快,回流区减小;气量一定时,随着旋流数的增加,气化炉内气体的最短停留时间显著增加,停留时间标准差减小。     

基于CFD-DEM耦合方法的非牛顿磨料浆体射流特性研究

采用CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics with Discrete Element Method),模拟了磨料射流中颗粒在清水与0.2％(以质量分数计)胍胶溶液中的运动过程,研究了颗粒的运动轨迹、颗粒在喷嘴轴线位置处的速度变化情况、流体参数对射流扩散及颗粒空间分布的影响.在喷嘴收缩...     

基于双组分PDF模型的GSP气化炉数值模拟

GSP气化炉是国内最近引进的西门子公司开发的粉煤气化技术,由于对其炉膛内气固反应流动特性认识不足,运行中出现耐火砖烧穿、合成气含灰过高等问题。利用数值模拟方法,采用双组分PDF模型耦合湍流-化学反应、随机轨道法耦合湍流-颗粒运动,针对GSP气化炉内多相反应流场建立三维数值模型。计算结果与实验值及文献计算结果一致,表明该模型可用于GSP气化炉的模拟计算。研究发现,炉膛内流场主要分为旋转射流区、内回流区、外回流区和管流区。高温区位于发生氧化反应的旋转射流区和内回流区上部,而外回流区和管流区主要发生还原反应,温度较为均匀;炉膛高度1/3位置处为高温火焰直接冲刷处,在运行时需重点考虑该位置的热防护。     

PARTICLE CONCENTRATION AND SIZE MEASUREMENTS IN TWO-PHASE TURBULENT COAXIAL JETS

Particle concentration and particle size distributions have been measured for two-phase (solid/air) turbulent coaxial jets using the Laser Diffraction Method (LDM) and a tomography data transform technique. Effects of velocity ratio, particle loading ratio, and particle size on the dispersions of gas and particles were determined. Experimental results show that the gas disperses much more rapidly than the particles and particle dispersion decreases with increasing in particle size. Increasing velocity ratio significantly increases gas dispersion, while effects of other variables are less significant. The mean particle size at the jet edge is about 15-20% smaller than that at the jet centerline. The turbulent Schmidt number Sc_p for two-phase turbulent coaxial jets ranges from 1.4 to 1.5.     

中心气流与环形气流作用下颗粒射流的流动与混合特性

采用PIV测速系统和高速摄像仪对同轴气固两相射流进行了实验研究,着重考察了同轴射流结构和旋流对颗粒流动与混合特性的影响。结果表明,环形气流作用下颗粒获得的轴向速度比相同条件下中心气流作用下的颗粒轴向速度大,且气固两相的混合效果更佳,在这两种同轴射流结构下,颗粒的轴向速度仅在靠近喷嘴的横截面上分布较为均匀。而旋流,特别是强旋的引入不仅可以促进远场区颗粒速度的均布,而且能够有效地改善两相混合效果。     

Particle‐laden liquid jet impingement on a moving substrate

The impingement of high speed jets on a moving surface was studied. The jet fluids were dilute suspensions of neutrally buoyant particles in water–glycerin solutions. At these low particle concentrations, the suspensions have Newtonian fluid viscosity. A variety of jet and surface velocities, solution properties, nozzle diameters, mean particle sizes, and volume fractions were studied. For each case the splash‐deposition threshold was quantified. It was observed that for jets with very small particles, addition of solids to the jet enhances deposition and postpones splash relative to a particle‐free water–glycerin solution with the same viscosity. In contrast, jets with larger particles in suspension were more prone to splash than single phase jets of the same viscosity. It is speculated that the change in character of the splash response for the jets with larger particles in suspension occurs when the particle diameter is comparable to the lamella thickness. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4673–4684, 2017     

On the scaling-up of a two-stage air blown entrained flow coal gasifier

A two-stage air blown entrained flow gasifier is being developed in Japan for the IGCC process. However, its scale-up up faces significant difficulties because of ash/slag deposition problems. The ash/slag deposition in the gasifier depends on both the ash properties and entrainment produced by the swirling gas flow. Therefore, the flow hydrodynamics are critical issues for the control of the ash behavior. In this paper, a comprehensive simulation model is used to examine the effects of the gasifier geometry and jet configuration on the flow hydrodynamics in order to control the ash deposition on the gasifier walls. A swirl number for the multi-stage injection swirling gas flow is defined and proved to be the most important hydrodynamic scaling law for the entrained flow gasifier.     

撞击流气化炉内颗粒停留时间分布的随机模拟

根据多喷嘴对置式气化炉流场测试,将气化炉划分为若干区域,运用时间离散、状态离散的马尔可夫链随机模型,模拟了气化炉内颗粒相的停留时间分布(RTD)。当颗粒在撞击区和射流区间的回流比为0.5,向下撞击流股区和管流区为平推流模型,其他区域按全混流模型处理时,模拟值与实验值吻合较好。随着进料流量的增大,平均停留时间减小,量纲1方差减小;随着回流比的增加,平均停留时间增大;气固两相平均停留时间接近,但RTD存在一定差异。