DSMC-LES方法数值模拟鼓泡流化床内气泡和颗粒流动行为

基于稠密气体分子动力学和气固两相流体动力学,建立流化床稠密气固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型,采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)模拟颗粒间的碰撞,采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟(LES)研究气相湍流,单颗粒运动满足牛顿第二定律,颗粒相和气相相间作用的双向耦合由牛顿第三定律确定.数值模拟流化床中颗粒流动以及气泡的生成、长大和破碎过程,获得颗粒轴向和径向速度的概率密度分布,及颗粒浓度分布.计算结果表明床内气泡的形成造成床内颗粒的循环,使得流化床内颗粒具有不同的轴向和径向脉动速度,颗粒分速度分布近似服从高斯分布.颗粒温度随颗粒浓度增加,达到最大值后,随颗粒浓度增大而下降.流化床颗粒浓度脉动主要是低频部分,高频分量较低,表明在流化床内颗粒浓度脉动频率低,能量高,颗粒浓度脉动主频率为0.4～1.0Hz,其值与Pain et al.获得的颗粒浓度脉动主频率基本吻合.     

微反应器结构对气液二相分布规律的影响

采用高速摄像仪对3种结构的微反应器内气液二相流型、流动分布及空隙率进行了研究。微反应器采用内置分布实现气液二相分布,3个内置分布器分布角度依次为60°,90°,120°。采用各支通道内气泡长度、气泡速度的相对偏差,相对标准偏差值体现气液二相分布的不均匀程度,考察了分布器结构对各支通道内空隙率的影响。结果表明:随内置分布器分布角度的增大,在实验范围内,各支通道气泡长度分布均匀程度减小,气泡运动速度分布均匀程度增大。各支通道空隙率变化与内置分布器分布角度及支通道与主通道的相对位置有关。     

生物质流化床空气-水蒸气气化模型研究

根据流化床反应器特点,结合生物质气化动力学反应机理,建立了生物质在流化床内气化的等温稳态、一维二相动力学模型。该模型所做的主要假定如下:流化床分为气泡相和乳相,在气泡相和乳相内均存在化学反应,考虑二相内的轴向气体扩散,生物质热解过程瞬时完成,主要考虑焦碳以及CO,CO2,H2,H2O,CH4等在流化床内发生的8个主要化学反应。数学模型属于常微分方程组边值问题,利用数值计算软件M atlab7.0进行编程求解。以木粉为原料,将模型结果与实验结果进行了对比,模拟结果与试验数据符合良好,在一定程度上证明了模型的有效性和可靠性。     

循环流化床脱硫器气固两相流动的数值模拟

以双流体模型为基础,结合颗粒动力学理论,对下部装有文丘里气体分布器的新型循环流化床脱硫反应器内气固两相流动特性进行了数值模拟.为全面描述气固两相的相互作用以及固相的出现对气相湍流作用的影响,模型中引入了物理意义上更加合理的源项公式,并与实验值进行了比较,模拟计算值与实验值吻合良好,验证了双流体模型方程的适用性.计算结果表明:由于文丘里管特殊结构的影响,流化床提升管内颗粒浓度分布非常不均匀,颗粒速度沿提升管高度发生强烈变化,流动非常复杂,研究结果为进一步优化循环流化床脱硫反应器入口结构打下了基础.     

锥形分布板射流流化床CFD模拟及参数分析

采用双流体模型结合颗粒动力学理论,对锥形分布板射流流化床内气固流动行为进行了三维的计算流体力学(CFD)模拟研究,系统分析了曳力模型、恢复系数和颗粒间摩擦力对射流流化床膨胀高度和气泡动力学行为的影响.结果表明,Syamlal-O'Brien和Gidaspow曳力模型低估了床内实际曳力,从而导致模拟膨胀高度低于实验值,而Modified Syamlal-O'Brien曳力模型能更好地预测床内实际曳力,计算结果与实验值吻合得较好;恢复系数对于射流流化床内气泡动力学行为有着重要影响,气泡的大小、上升速率和产生频率均随着恢复系数的增加而减小;颗粒间的摩擦力也是影响床层膨胀高度和床内气泡产生的重要因素.     

鼓泡床取热器流动特性的数值模拟

应用计算颗粒流体力学(CPFD)方法,采用点源注射的进气方式对气固鼓泡流化床取热器内流动特性进行数值模拟。考察不同气速下床层膨胀高度、轴径向时均固含率分布、颗粒轴向速度分布及床层颗粒内循环流率的分布。模拟结果与实验数据吻合较好,表明该模型可以用于描述鼓泡流化床取热器内气固两相的流动规律。     

细颗粒流化床的特性

在二维流化床内,进行了粗颗粒和细颗粒的流化实验,测定了气泡尺寸和气泡数。观察了细颗粒床内的湍动状态。在φ100与φ280流化床内,进行了气体两相分配实验。细颗粒流化床浓相空隙率大干初始流化床的空隙率。并对细颗粒流化床的规模放大问题进行了初步探讨。     

双气泡相群平衡模型模拟鼓泡塔气液两相流

基于对鼓泡塔气泡行为的现有认识,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,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对D=440 mm鼓泡塔进行数值模拟,获得了气泡尺寸体积概率分布、时均气含率与液相速度径向分布、大小气泡相尺寸分布,对部分模拟结果与实验值及文献模拟结果进行了比较. 结果表明,TBPBM-CFD模型预测的时均气含率和液相速度分布与实验结果吻合最好,较SBPBM、平均气泡尺寸模型的模拟结果有明显改善. 与实验值相比,TBPBM模型的整体气含率模拟误差为5.7%,而SBPBM模型和平均气泡尺寸模型的误差分别为27.2%和17.3%.     

国内化学工程文献摘要

根据流化床气泡理论,推导出流化催化裂化反应器和再生器密相床平均密度的计算公(?),提出了一套计算再生器稀相催化剂密度分布公式。     

流化催化裂化再生器数学模型的研究

本文的目的是将流态化理论应用于细粉催化剂流化催化裂化再生器数学模型之中。借助于光导纡维测试技术研究了在再生催化剂流化床中颗粒流动速度及其径向分布规律和气泡频率及其径向分布规律。实验所用装置为φ300×11400三维冷模流化床,介质为空气和工业再生催化剂,根据实验结果提出了一个流化催化裂化再生器数学模型。在模型中考虑了稀相的影响,并采用工业数据对所提出的模型进行了模型参数估值,得到了比较稳定的模型参数值。     

多层筛板流化床料层高度均匀性研究

通过测定流化床料层压差,研究了多层流化床顶层进料均匀性、进气及排气方式对多层流化床流化料层高度均匀性的影响。结果表明,布料越均匀,上中二料层高度越接近,且在低气速下易于形成较良好的流化层,但随着气速增大,其影响逐渐减弱;在低气速下进气方式对中下二料层均匀性有较大影响,但随气速增大影响也减弱,底部进气方式更易达到较好的料层均匀性;流化床的排气方式对流化料层基本无影响。因此均匀的布料和较均匀的进气预分布有助于均化各料层高度,并拓宽多层流化床的操作弹性。     

大颗粒三相环隙气升式环流反应器流体力学行为

研究了大颗粒体系气升式环流反应器的流体力学行为,考察了表观气速和颗粒质量分数对床层膨胀高度、循环液速和固含率分布的影响。实验结果表明,按颗粒的运动状态不同可以将反应器内的流动分为3个区域,即固定床区域、膨胀床区域和循环床区域,各流动区域内的流动行为存在显著差异。随着颗粒质量浓度的增大,起始流化气速和最小循环气速均显著增大。基于三相流化床的流化模型和环流反应器的特点建立了相应的数学模型,对大颗粒三相气升式环流反应器的起始流化气速和最小循环气速进行了预测,模型预测值与实验测量值吻合良好。     

循环流化床气体返混及停留时间的分布

本文采用脉冲示踪技术,研究了直径140 mm循环流化床内气体的返混特性及其停留时间分布规律,并通过一维轴向扩散模型,得到了气体轴向扩散系数。实验结果表明,在循环流态化条件下,气体轴向流动明显偏离于平推流,并且随操作气速增大或颗粒循环速率的减小,气体轴向返混程度减小。     

Flow pattern in a fluidized bed with a non-fluidized zone

The flow pattern of a fluidized bed with non-fluidized zones is investigated both experimentally and theoretically. Experiments were carried out in such a way that air was introduced only through part of the distributor. The results show a significant amount of air flowing to the zone where no air is introduced. However, once the gas velocity exceeds the minimum fluidization velocity in the zone where the air is introduced, the cross-flow hardly changes upon further increase of the gas velocity. A continuity equation and Ergun's equation are used to describe the flow pattern and pressure distribution over the bed. Very good agreement between the experimental and calculated results is achieved without any fitting parameter. The results are relevant to the understanding of heat transfer behaviour of a fluidized bed combustor (FBC) that is only partly fluidized to control its load.     

DEM-LES of coal combustion in a bubbling fluidized bed. Part I: gas-particle turbulent flow structure

The gas and particle motions in a bubbling fluidized bed both with and without chemical reactions are numerically simulated. The solid phase is modelled as Discrete Element Method (DEM) and the gas phase is modelled as 2-D Navier-Stokes equations for 2-phase flow with fluid turbulence calculated by large Eddy simulation (LES), in which the effect of particles on subgrid scale gas flow is taken into account. The gas/particle flow structure, the mean velocities and turbulent intensities can be predicted as a function of several operating parameters (particle size, bed temperature, and inlet gas velocity). The lower the inlet gas velocity, the higher the ratio of particle collision. The distributions of the particle anisotropic velocity show that the particles have no local equilibrium, and the distribution of gas kinetic energy corresponds to the distribution of gas-particle coupling moment in the fluidized bed. An intensive particle turbulent region exists near the wall, and the gas Reynolds stress is always much higher than the particle stress. The presence of the large reactive particles in the fluidized bed may affect significantly the gas and particle velocities and turbulent intensities. The effects of the bed temperature and inlet gas velocity on the gas particle flow structure, velocity, and turbulent intensity are also studied.     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY ON GAS FLOW IN THE GRID ZONE OF JETTING-FLUIDIZED BEDS

A grid model describing the gas flow and interchange in the grid zone of jetting fluidized beds is proposed. Based on this model, longitudinal gas concentration profiles in the jet and annulus are calculated. The longitudinal gas concentration distribution is also experimentally investigated in a jetting fluidized bed with an inside diameter of 50 mm at the ambient temperature, and a jetting fluidized bed with an inside diameter of 80 mm at high temperatures. Comparison between the calculated and experimental results has shown that the experimental profiles can be qualitatively predicted by the grid model. The results indicated that the concentration in the grid zone depends on the gas exchange between the jet and the annulus, and the net gas flow from the jet to the annulus. The gas exchange rate is mainly affected by the inlet gas velocity from the nozzle. The present study is thought to be helpful to understand the grid gas behavior in the jetting fluidized bed coal gasifier.     

双组分颗粒鼓泡流化床内气泡形状参数

在二维双组分鼓泡床实验装置上,采用高速摄像技术,对床内气泡的形状特性进行了研究,考察了不同形状气泡在床内的轴径向分布,探索了颗粒组成和操作气速对气泡形状的影响。结果表明:不同形状的气泡在鼓泡床内呈正态分布,球形度较好的气泡主要分布于床层底部和壁面附近,而细长的气泡则主要集中于床层中心区域。随着气体速率的增加,气泡的球形度和宽纵比降低,气泡形状趋于细长和不规则;随着重组分增加,气泡的球形度增大而宽纵比减小。双组分颗粒鼓泡流化床内气泡球形度的概率密度较单组分的分布更宽,而宽纵比的概率密度分布与添加的颗粒密度有关。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。     

含内构件的循环流化床的动态压力特性

针对含内构件的循环流化床,以石英砂为物料,使用动态压力传感器测量了含内构件的流化床中气固两相流的动态压力,分析了床内的瞬时压力特性. 结果表明,在进出口总压降中,文丘里压降最大,占主床压降的60%以上. 表观气速和固体颗粒循环流率共同影响循环流化床内的压力特性. 压力瞬时波动功率谱分析表明,压力波动对应一个主频,表观气速越小、颗粒循环流率越大时,压力波动越大,且循环流化床底部压力波动比上部大. 加入内构件能有效引导气流,使流动更均匀.     

新型流化床内流体重构的流体力学特性变化及其数值模拟

针对前期研究开发的新型三重环流与多重环流流化床,构建气液两相流的二维数值模型,分析微观流场、液体运动速度和气相含率,剖析环流数对流化床流体力学特性的影响和对内循环过程的改善,寻找反应器运行过程节能的结构与优化的操作条件。通过数值模拟发现:基于单重环流,多重环流作用主要改变流体在上升区和下降区之间的相互混合和交汇,增大环流数可缩短流体运动的循环路程和时间,有利于加强相际之间的混合,但床内整体流态仍接近推流,微循环的存在所占比例较小;多重环流流化床的流体力学性能优于三重环流,随着环流次数的增多,液速在径向和轴向上分布更均匀,气泡逆流进入下降区,有利于反应器整体氧传质效率的提高。通过流化床结构改变实现的流体重构支持流体力学性能的改善,是高负荷有机废水好氧生物处理期待选择的开发方向。