提升管内颗粒团聚行为的离散颗粒模拟

采用计算流体力学和离散单元方法对二维提升管气固流动过程进行了数值模拟。采用大涡模拟方法模拟气体湍流流动,采用离散单元方法模拟颗粒碰撞过程。基于网格内流体能量守衡,提出了动能加权平均法,实现Euler坐标与Lagrange坐标的耦合与分解。模拟计算得到的瞬态流型揭示了颗粒聚团的合并和破碎过程及颗粒的详细运动行为,定性地揭示了提升管内气体-颗粒两相流动过程。     

提升管内气固流动行为的数值模拟

应用计算流体力学软件Fluent,对空气为连续相、固相为催化裂化反应催化剂的循环流化床提升管内的气固流动行为进行模拟。采用用户自定义函数引入颗粒与壁面的恢复系数和颗粒的镜面反射系数,对颗粒在边壁处的部分滑移运动进行描述。采用不同的计算动力学模型及参数,数值模拟了径向颗粒浓度、轴向床层压降的空间分布,以及用以描述颗粒脉动动能的颗粒温度与固含率的关系,并与文献报道的实验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明,选取的颗粒动力学理论模型及参数、颗粒部分滑移边界条件及气固曳力模型,可计算得到合理的颗粒轴向及径向分布,验证了提升管中存在典型的径向环核流动结构和轴向压降分布。进一步分析表明固含率显著影响颗粒温度,当固含率为0.05~0.1,颗粒温度存在转折区。     

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。     

提升管与下行床颗粒团聚行为的离散颗粒模拟

从微观机理出发,采用计算流体力学和离散单元方法（CFD-DEM）结合的模型对二维提升管和下行床气固流动体系进行了数值模拟。模拟选用了粒径为520 μm、密度为2620 kg·m-3的球形颗粒和周期性边界条件,展示了气固并流逆重力场和顺重力场运动的颗粒聚团瞬态图像,定性或半定量地揭示了两个不同体系的颗粒微观聚集行为。提升管中颗粒聚团较为严重,且表现明显的颗粒返混现象;下行床中的颗粒聚团比较松散,且具有与宏观流动相同的流速方向,几乎无颗粒返混。通过统计分析获得宏观时均流体力学行为,包括两相的相分布和速度分布,并与文献报道的实验现象进行定性的比较。     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型,数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流,建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度,而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域,小颗粒轴向速度分布出现3个峰值,对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大,颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响,颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

不同入口结构下行床内气固流动及混合行为的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学和离散单元模型（CFD-DEM）耦合一种简单的气固催化反应模型对具有不同入口结构的二维下行床内的气粒流动和混合行为进行全床数值模拟。模拟得到了不同入口结构下行床内的多尺度气固运动状态、全床的固含、速度及反应生成物浓度分布,以及气体和颗粒在下行床内的停留时间分布,发现入口结构对反应器内的流动、混合和气固接触效率起着关键性的作用,入口气体和颗粒的不均匀分布将导致下行床内气体停留时间的宽分布以及气固接触效果的恶劣。     

下行床气粒流动行为的Eulerian-Lagrangian模拟

采用计算流体力学和离散单元方法耦合模型（CFD-DEM）对二维下行床内的气粒流动行为进行了全床数值模拟。模拟结果展示了下行床典型操作条件下特有的气固动态流动结构：沿流动方向存在明显的入口控制区、过渡区和（完全）发展区;颗粒聚团并不是出现在浓度相对较高的入口区,而是在过渡区之后的发展过程中逐渐形成较多的、松散的动态聚团结构。下行床发展段呈现典型的近壁浓环结构,这与实验结果基本一致。考察了颗粒之间以及颗粒与壁面之间的碰撞参数对下行床内气固流动结构的影响,发现完全弹性碰撞颗粒体系在入口区呈现最快速的颗粒分散;而对本文研究的操作条件,颗粒碰撞参数对发展段时均流体力学行为只产生轻微的影响。     

提升管内气固流动的小波分析

对由光纤探头获得的提升管循环流化床内颗粒体积分数的瞬态信号,采用Dauchveies小波(db4)进行15层的小波分解,并计算各尺度能量分率,以研究提升管底部浓相段与顶部稀相段气固流动结构。结果表明:颗粒速度、体积分数、能量分率在径向分布都呈典型的环核结构;底部浓相段和顶部稀相段的高、中、低频能量分率基本相同,分别在10%,60%,30%左右,说明提升管内大多数的颗粒以聚团形式或密度较大的颗粒群的形式在流化床内流动。操作条件的改变对稀密段气固流动结构的影响不同:颗粒循环流率的改变对密相段的流动影响较大,而气体速度的变化对稀相段的流动影响较大。     

提升管内气固双流体模型的计算模拟

对提升管内气固流动行为建立了k–e–kp–ep–Q 双流体模型. 利用计算软件CFX模拟了内径0. 418 m、高18 m 的提升管内的冷态气固两相流动. 模拟结果与实验数据吻合较好.     

水平窄矩形通道内液固两相的流动特性

液固两相输运研究主要集中于圆管,窄矩形通道内液固两相水平流动特性和固相扩散特性的研究鲜见报道。在12mm高的水平窄矩形通道内,采用实验研究和计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）数值模拟相结合的方法研究了玻璃珠-水液固两相流动,揭示了压力梯度特性、固相流动特性及其统计学特性、固相扩散特性变化规律。结果表明：在固相运动过程中,形成稀密两相共存的流动结构,密相在水平方向上被加速且向上运动;随着固相浓度增加,固相沿垂向的分布更加均匀,但固相速度非对称分布增强;固相垂向扩散强度随固相浓度增加而减弱。沿垂向将流道分为3个区域：近壁区、颗粒高频碰撞区和颗粒稀疏区。在近壁区,黏性底层-湍流层交界面与颗粒相互作用并将颗粒向流道中心挤压,导致沿流向的固相速度分量和固相体积分散波动较大;在颗粒高频碰撞区,在垂直方向上颗粒无序运动造成其垂向速度分量波动比近壁区和颗粒稀疏区的大;沿流向的固相速度分量和固相体积分数标准差值在整个颗粒高频碰撞区内保持在较小的变化范围,然后在颗粒稀疏区内迅速降低为零。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

提升管出口SVQS自然旋风长度的数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型对一套φ600 mm×4150 mm的SVQS旋流快分装置的气相流场及自然旋风长度进行了模拟研究。结果表明,SVQS旋风尾涡的截面位置与隔流筒下端面最大切向速度衰减达88%时的截面位置相吻合,并据此定义了SVQS的自然旋风长度。基于SVQS旋流快分切向速度的分布规律发现,SVQS的自然旋风长度随喷口气速的增加和汽提气速的减小而逐渐增大。参照旋风分离器自然旋风长度的计算方法,基于SVQS旋流快分的结构特点及模拟计算结果,提出了提升管出口SVQS旋流快分自然旋风长度的计算关系式。     

离散单元法及其在流态化领域的应用

经过三十余年的发展,离散单元法（discrete element method,DEM）已经发展成为一种广泛应用于过程工程领域中颗粒体系研究的数值方法,特别是将DEM与计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）相结合形成的CFD-DEM耦合方法,已经在流态化研究领域得到广泛应用。首先对DEM模型进行了综述,包括DEM模型的基本原理、颗粒形状模型、接触力模型、非接触力模型、流体作用力模型等;然后对CFD-DEM耦合方法及其在流态化领域的一些主要应用进行了介绍,包括在流化床、气力输送以及过程工程领域里的一些其他应用。最后对DEM模型以及CFD-DEM耦合方法的发展趋势进行了预测,希望能促进DEM方法的发展,并推动其在过程工程领域中的应用。     

Numerical simulation of two-dimensional spouted bed with draft plates by discrete element method

A discrete element method (DEM)-computational fluid dynamics (CFD) two-way coupling method was employed to simulate the hydrodynamics in a two-dimensional spouted bed with draft plates. The motion of particles was modeled by the DEM and the gas flow was modeled by the Navier-Stokes equation. The interactions between gas and particles were considered using a twoway coupling method. The motion of particles in the spouted bed with complex geometry was solved by combining DEM and boundary element method (BEM). The minimal spouted velocity was obtained by the BEMDEM-CFD simulation and the variation of the flow pattern in the bed with different superficial gas velocity was studied. The relationship between the pressure drop of the spouted bed and the superficial gas velocity was achieved from the simulations. The radial profile of the averaged vertical velocities of particles and the profile of the averaged void fraction in the spout and the annulus were statistically analyzed. The flow characteristics of the gas-solid system in the two-dimensional spouted bed were clearly described by the simulation results. __________ Translated from Chemical Engineering (China), 2007, 35(6): 24–28 [译自: 化学工程]     

二维导流管喷动床离散颗粒动力学模拟

采用离散单元法(DEM)-计算流体力学(CFD)双向耦合数值方法对二维导流管喷动床进行了模拟,颗粒的运动通过DEM模型描述,而气体的运动用Navier-Stokes方程进行求解,气体和固体颗粒之间的相互作用通过曳力形式传递。文中将DEM和边界元方法(BEM)结合起来解决颗粒在具有复杂边界设备内的运动。通过采用BEM+DEM-CFD相结合的方法进行模拟计算,得到了喷动床的最小喷动速度,研究了不同表观气速下床内的流型,得到了二维导流管喷动床的床层压降与表观气速的关系,统计分析了喷射区、环隙区内颗粒的运动速度和相应的空隙率,全面地描述了二维导流管喷动床内的气固流动特征。     

Modeling of core flow in a gas-solids riser

The heterogeneous flow structure in gas-solids riser reactors is typically represented by an upward solids flow in the core region and a back-mixing downward solids flow in the wall region. The hydrodynamic and reaction characteristics in these two regions are highly different, as most reactions with fresh catalyst solids occur in the core region and mostly spent catalyst solids are found in the wall region. Gross understanding on gas-solids riser flow can be conveniently obtained from a cross-section averaged one-dimensional modeling approach, which is probably only valid for the core region. The success of such an approach, however, has to rely on the appropriate modeling of controlling mechanisms of riser flows. Our recent studies show that commonly-employed Richardson-Zaki equation overestimates the hydrodynamic forces in the dense phase and acceleration regimes; there is also a non-negligible effect of solids collision on solids acceleration, and the wall effect should be taken into account in terms of wall boundary and back flow mixing. In this paper we propose a new mechanistic modeling to describe the hydrodynamics of upward flow of solids in a gas-solids riser, with new formula of hydrodynamic phase interactions. The modeling results are validated against published measurements of pressure and solids volume fraction in a wide range of particle property, gas velocity and solid mass flux. Parametric effects of operation conditions such as transport gas velocity and solid mass flux on hydrodynamic characteristics of riser flows are predicted.     

沉浸管式流化床的颗粒尺度模拟

为模拟具有复杂几何结构的气固流动系统,文中将计算流体力学和离散单元法与边界元方法结合起来,对沉浸管式流化床内颗粒及气泡的运动行为进行了数值模拟。模拟计算得到的瞬态流型图揭示了气泡绕流沉浸管束时出现的合并和破碎状态及颗粒群的详细运动行为,发现床内气固二相的流动受到沉浸管束存在的显著影响。当颗粒及气相的流动受到沉浸管的阻碍而绕管流动过程中气泡会发生变形,变得扭曲狭长且易被撕碎。同时颗粒与管道壁面碰撞会造成气固二相复杂的动态运动形式,床内的管道大部分时间会被气穴包围,将严重阻碍管道与颗粒之间的传热。     

Particle-scale simulation of fluidized bed with immersed tubes

In order to simulate gas-solids flows with complex geometry, the boundary element method was incorporated into the implementation of a combined model of computational fluid dynamics and discrete element method. The resulting method was employed to simulate hydrodynamics in a fluidized bed with immersed tubes. The transient simulation results showed particle and bubble dynamics. The bubble coalescence and break-up behavior when passing the immersed tubes was successfully predicted. The gassolid flow pattern in the fluidized bed is changed greatly because of the immersed tubes. As particles and gas are come in contact with the immersed tubes, the gas bubbles will be deformed. The collisions between particles and tubes will make the tubes surrounded by air pockets most of the time and this is unfavorable for the heat transfer between particles and tubes. __________ Translated from Chemical Engineering, 2007, 35(11): 21–24 [译自:化学工程]