埋管流化床颗粒流动行为的数值模拟

提出区域覆盖法,实现了正交结构化网格(DEM网格)与非规则网格(Fluent网格)的快速耦合,通过减少颗粒搜索量的方法,提高计算效率;采用向量法高效、精确定位颗粒在非规则网格内的位置,进而形成基于非规则网格的CFD-DEM数值模拟平台。在宽和高分别为250 mm和800 mm的二维多埋管流化床内对颗粒流动行为进行了数值模拟研究。结果表明:基于区域覆盖法建立的CFD-DEM模型能够模拟具有复杂几何结构流化床内的气固流动行为;多埋管流化床内的颗粒上升流磨损埋管的迎风面,在背风面形成颗粒浓度较低的区域;而颗粒下降流对埋管的影响与上升流的影响相反;多埋管流化床内的颗粒行为可划分为颗粒上升流、颗粒下降流、颗粒循环流和无颗粒区。     

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。     

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。     

浅层流化床水平埋管与床层间的传热

针对浅层气－固流化床床层与水平埋管间的传热特性进行了实验研究，同时利用光导纤维对床层与壁面间的接触动力学参数进行了检测，从而从流体力学的角度，分析了传热的实验结果。基于乳化团与气泡相与传热面的交替接触，通过理论分析，提出了浅层流化床中水平埋管传热的模型方程，模拟值能较好地与实验结果相符合。     

射流流化床内流体力学行为的模拟研究

以流化床应用为代表的气固流动系统是许多化工过程中的重要组成部分 ,CFD( computational fluid dynamics)方法能够为其优化设计和放大提供所需要的信息 .本文采用双欧拉模型 ,与 Gidaspow等的实验结果进行了对比 ,模拟了二维射流流化床内气泡的形成规律 ,得到了带锥型分布器的流化床内瞬时空隙率和气固相速度分布等流体力学参数 .对锥型分布器流化床的实验结果表明 ,模拟得到的气泡的形状与实验现象相接近 .     

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。     

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。     

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。     

竖直管气固鼓泡流化床传热机理的CPFD模拟

针对细颗粒气固鼓泡流化床中床料与竖直传热管壁面间的传热行为,在前期实验的基础上,采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法从颗粒在传热壁面更新的角度,深入分析了传热特性与壁面气固流动行为之间的关联性。结果表明,模拟得到的传热管壁面颗粒更新通量和基于颗粒团更新模型的颗粒团平均停留时间均能很好解释实验测得的传热系数变化规律,这证实颗粒团更新是影响传热过程的控制性因素。模拟还发现随加热管从床层中心向边壁的移动,加热管周向方向上颗粒更新通量和传热系数的不均匀性都呈增大趋势。随着表观气速的增大,气泡行为导致床层颗粒内循环流率增大,这是导致颗粒团在加热管壁面上的更新频率增大以及床层与壁面间传热系数增大的根源。     

梯度磁场下气固流化床中磁颗粒运动数值模拟

在外加竖直方向梯度磁场的气固鼓泡流化床中,考虑铁磁颗粒受到的梯度磁场力和颗粒间磁感应力,对气相采用流体力学方法(CFD),颗粒相采用离散元法(DEM),建立二维磁鼓泡流化床数学模型,模拟不同磁场强度下全磁颗粒圆形床料的气固流动过程,分析了不同磁场强度对磁流化床中气泡生长、颗粒运动、床层压降和磁颗粒受力的影响。研究结果表明在沿高度磁感应强度递减的梯度磁场中,磁颗粒在颗粒间磁感应力的作用下凝聚成链,破坏了大气泡的形成。随着磁场强度增加,颗粒扩散系数减小,颗粒间磁感应力和梯度磁场力增大;气体与颗粒相间作用力先减小、后增加;而颗粒接触力先增加、后减小。     

带浸没加热管的惰性粒子振动流化床干燥强度研究

采用带浸没加热管的惰性粒子振动流化床对（石灰）膏状物料干燥进行了实验研究。利用正交实验，考察了加料速率、振动条件、进气温度、进气速度、加热管功率等参数对干燥强度的影响，得出了计算干燥器干燥强度的关联式。结果表明，由于浸没加热管热量的引入，能显著增加干燥器的干燥能力，实验条件下干燥器干燥强度超过250kg·（m^3·h）^-1，干品湿含量可降至1．5％以下，质量能达到要求，相关数据可为膏状物料干燥器的设计和开发提供借鉴。     

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     

埋管流化床干燥机在多聚甲醛干燥中的应用

对喷雾法生产多聚甲醛的普通流化床干燥工艺进行了改进。成功地将埋管流化床干燥机应用于多聚甲醛干燥工艺,其节能和增产效果十分显著。     

分批模拟连续带液操作流化床的传热研究

通过分批模拟连续干燥实验,建立了相应的热量和质量传递模型;对流化床带液操作时气体与粒子之间的传热系数,粒子之间的传热系数进行了研究,得到了带液操作流化床中流化气速、平均粒径和湿粒子含率对传热系数的影响关联式。对理解气相法聚乙烯冷凝模式操作中的传热提供了帮助。     

埋管流化床在己二酸干燥冷却系统中的应用

介绍在己二酸干燥中埋管流化床的改进,针对己二酸的物料特性,设计出适合己二酸干燥的埋管流化床,并成功应用于生产。     

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律. 数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述. 给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率. 数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.     

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]