coarse-grained CFD-DEM方法在不同流态流化床中的模拟验证

传统CFD-DEM方法的计算量随着系统内颗粒数目的增加而显著增加,coarse-grained CFD-DEM(粗颗粒)方法将若干个真实颗粒打包成虚拟颗粒从而显著减小系统计算量。在coarse-grained CFD-DEM方法进行应用之前,对其进行广泛的验证是有必要的。采用coarse-grained CFD-DEM方法模拟得到不同流态流化床的气固流动特征(固含率、压降、颗粒速度等),与传统CFD-DEM和实验测量吻合较好。另外,系统的计算效率随着粗颗粒放大系数的增加显著提升。研究表明,粗颗粒方法能够以较小的计算精度损失而使计算速度大幅提升,能够适用于大尺度稠密气固流动系统的模拟。     

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。     

埋管流化床内不同粒径颗粒传热行为的欧拉-拉格朗日模拟研究

将有限元方法、基于非结构化网格的计算流体力学方法与离散单元法结合,建立了CFD-DEM-FEM耦合方法,并在此基础上采用k-ε湍流模型及考虑颗粒间及气固间作用的多向耦合传热模型,对埋管流化床内的流动和传热行为进行了模拟和分析.通过计算结果从微观尺度探讨了埋管流化床内的传热机制,分析了影响床内传热的关键因素,得到了换热管道周围固含率和传热系数的分布规律,考察了颗粒直径对埋管周围传热系数的影响.数值模拟结果与实验数据基本一致,证实了CFD-DEM-FEM耦合方法模拟复杂气固流动和传热的可行性和准确性.     

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。     

脉动流化床的数值模拟

运用Fluent 6．3中的欧拉-欧拉模型模拟传统流化床与锯齿形波脉动进气流化床的运动特性，并进行对比，针对沿床高的气泡高度、当量直径及内压等因素进行分析，得出脉动锯齿形波进气流化效果比传统流化效果明显提高。     

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。     

基于CFD-DEM方法的净化器流场模拟与结构优化

针对空气净化器能耗高的问题,使用离散元方法(DEM)在吸附滤网中建立随机堆积柱形活性炭模型,采用计算流体力学(CFD)方法对空气净化器内部流场进行数值模拟,在模拟与实验验证的基础上,考察了压降最小、流场最均匀的吸附滤网结构。结果表明,空气净化器压降主要发生在轴向,活性炭吸附滤网中回流、沟流现象严重,流体阻力是其他两种滤网的3倍。边数对多边形填充孔结构吸附滤网内压降与流场均匀性无影响,当孔结构改为圆形时,压降减小约52 Pa,节能18.4%(49 W);当孔直径由8 mm增至12 mm,压降减小约48 Pa,节能19.4%(45 W);滤网间距对空气净化器压降无影响,圆形、小孔径的吸附滤网内流场最均匀。     

A类颗粒流化床特性的DEM-CFD模拟

采用离散元方法-计算流体力学(DEM-CFD)对耦合边界下A类颗粒流化床特性进行模拟。讨论了在床底的表观速度取决于流场情况下,不同进口流速时该类颗粒的流化状态。分析了流动与颗粒运动的相互作用,及其对最小流化速度和最小气泡速度的影响。发现与均匀床底的表观速度相比,当床底的流动速度取决于流动与颗粒运动耦合时,床体的稳定性变差,床底的速度分布呈现不均匀,局部更早出现气泡,并沿着该位置的轴向向床顶面发展,形成沟流,而此时其它部位会产生死区。     

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。     

CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用

提出广义区域覆盖法用于定位计算节点区域,利用Fluent软件的UDFs实现颗粒信息在计算节点间高效、准确地传递,建立了适用于非正交网格的CFD-DEM模型并行求解方法,在探讨并行模型计算效率的基础上对埋管流化床和单孔射流流化床内的气泡行为及双支腿流化床半床间的颗粒交换行为进行了数值模拟研究并对比实验结果。结果表明：CFD-DEM模型并行求解方法能够快速传递及收集计算节点内的颗粒信息;广义区域覆盖法降低了颗粒在计算节点内的定位时间,提高了模型的并行计算效率;能够捕获与Rong等一致的埋管周围气泡行为（其频率约为3 Hz）,获得了与Bokkers等结果接近的单孔射流气泡尺寸及颗粒速度矢量分布,双支腿流化床半床间颗粒交换行为与实验结果一致,第一主频约为1 Hz,第二主频大于2 Hz。     

新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟

采用基于结构的EMMS曳力模型,对一种新型气固环流反应器中的颗粒流动特性进行数值模拟。模拟的固含率与颗粒速率预测值与实验数据具有一致性,验证了模型的适用性。模拟结果表明：导流筒表观气速增加,导流筒中的床层固含率减小,向上的颗粒速率增加;反应器中存在多个颗粒逆流和错流混合区,促进了颗粒沿径向的混合;槽孔处,导流筒中的固含率以及颗粒速率分布更加均匀,而环隙中存在颗粒浓集区;进料区在0≤L≤0.058 m,0< r/R< 0.3的范围内固含率增加并且颗粒存在明显的径向流动。     

提升管中气固两相流动行为的相似特性

在15.1 m高循环流化床实验装置上对提升管内的轴向压力梯度、局部颗粒浓度和颗粒速度进行了较系统的实验测试,研究了提升管中气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似特性.结果表明,在(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g相近的操作条件下,上行气固两相流充分发展段的颗粒浓度、下降颗粒时均速度、絮状物颗粒浓度和出现频率在空间的分布特征基本相同.对于同一提升管内的同一气固两相流系统,只要表观气速和颗粒循环速率按(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g同步变化,不同操作条件下的上行气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

Experimental and numerical investigation of sands and Geldart A biomass co-fluidization

This article investigated the fluidization of sands and small Geldart A biomass mixtures. The mixture fluidized like Geldart A type particles with a uniform bed expansion regime before bubbling. The video recorded color distance between pure sands and sands–biomass mixtures was used to estimate the sands–biomass mixing. The coarse-grained computational fluid dynamics–discrete element method with a hybrid drag model which couples the Syamlal–O'Brien drag and a filtered drag can capture the mixing while the simulation with Gidaspow drag predicted a segregated bed. The simulations were further validated with experimental measured pressure drops. The time averaged pressure drop equals the weight of the bed material, however, its fluctuation is about three times of the bed material fluctuation.     

Particle‐scale simulation of the flow and heat transfer behaviors in fluidized bed with immersed tube

A kind of new modified computational fluid dynamics‐discrete element method (CFD‐DEM) method was founded by combining CFD based on unstructured mesh and DEM. The turbulent dense gas–solid two phase flow and the heat transfer in the equipment with complex geometry can be simulated by the programs based on the new method when the k‐ε turbulence model and the multiway coupling heat transfer model among particles, walls and gas were employed. The new CFD‐DEM coupling method that combining k‐ε turbulence model and heat transfer model, was employed to simulate the flow and the heat transfer behaviors in the fluidized bed with an immersed tube. The microscale mechanism of heat transfer in the fluidized bed was explored by the simulation results and the critical factors that influence the heat transfer between the tube and the bed were discussed. The profiles of average solids fraction and heat transfer coefficient between gas‐tube and particle‐tube around the tube were obtained and the influences of fluidization parameters such as gas velocity and particle diameter on the transfer coefficient were explored by simulations. The computational results agree well with the experiment, which shows that the new CFD‐DEM method is feasible and accurate for the simulation of complex gas–solid flow with heat transfer. And this will improve the farther simulation study of the gas–solid two phase flow with chemical reactions in the fluidized bed. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009     

采用改进的曳力模型模拟2D鼓泡流化床的流化特性

针对特定颗粒浓度范围颗粒团聚作用导致的曳力下降问题,基于传统曳力模型在不同颗粒浓度段的特性分析,选择适用于不同颗粒浓度区间的曳力模型,通过光滑函数得到改进的曳力模型,并耦合欧拉双流体模型对2D鼓泡流化床进行数值模拟. 结果表明,与Gidaspow和Syamlal-O'Brien模型相比,改进的曳力模型对床层局部压降的预测结果更好;随表观气速增加,改进的曳力模型能更准确地预测床层膨胀;当表观气速Ug=0.46 m/s时,改进的曳力模型对径向颗粒浓度分布的模拟结果明显好于Syamlal-O'Brien模型.     

上行气固两相流充分发展段流动行为的相似特性

在10.5 m高气固循环流化床实验装置上,在对提升管内的轴向压力梯度和局部颗粒浓度进行实验测试的基础上,结合部分文献上的实验数据,研究了上行气固两相流充分发展段在不同操作条件下气固两相流动行为的相似特性.结果表明,所提出的经验相似准则能表征上行气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似性,并且该经验相似准则独立于实验装置系统.对于同一上行气固两相流系统,只要操作参数按该相似准则同步变化,气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

耦合粗粒化离散颗粒法和多相物质点法的气固两相流模拟

在气固两相流动的模拟中严格处理颗粒运动和颗粒相互作用时,欧拉?拉格朗日(EL)方法比欧拉?欧拉(EE)方法更具优势。但传统的EL方法仅能处理少量颗粒。将颗粒群作为单个计算颗粒处理可扩大模拟规模,粗粒化离散颗粒法(CG-DPM)和多相物质点法(MP-PIC)是其中两种主要方法,分别更适用于稠密和稀疏的颗粒流体系统。将两种方法耦合建立了更通用、准确和有效的EL方法,比较了不同耦合参数下流型、固相分率分布等定量信息,确定了最佳耦合参数。