CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

颗粒斜槽流的实验研究与数值模拟

从实验和理论两个方面对颗粒慢速斜槽流进行了研究。建立颗粒慢速斜槽流的实验装置 ,采用示踪颗粒法测定表面速度 ;通过测量表面速度和流层厚度 ,初步分析了流率及壁面状况对流动的影响。用有限元法对粗糙表面上的慢速斜槽流进行了数值模拟     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,BasedLun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

多相流中颗粒旋转运动特性的研究进展

多相流中分散相颗粒旋转运动特性研究对于进一步揭示多相流机理有重要意义,同时也有助于人们更全面地认识多相流动,因此,越来越受到学者们的关注。近年来,人们从理论模拟方面研究颗粒旋转对流场的影响,通过改进多相流数值模型来考虑颗粒旋转,获得了与实验吻合的结果,但由于模型本身的局限性,无法全面考虑颗粒旋转运动对颗粒群和周围流场的影响;在实验研究方面,人们尝试利用高速摄像方法测量颗粒的转速,并对实际气固两相流中颗粒的转速进行了测量,但更准确、有效的颗粒转速测量方法还需进一步探索。把直接数值模拟方法应用于颗粒旋转运动特性的模拟是进一步研究颗粒旋转运动特性需要突破的方向,另外,通过计算机视觉场景中的连续图像序列对目标物体进行三维运动和结构重建的技术,也将是颗粒转速测量方法的研究重点之一。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

气固多相旋转射流的数值模拟研究

以气固多相旋转射流的偏微分方程组为基础,针对采用k-ε双方程湍流模型模拟旋转湍流场尚存的不足,本文通过对湍流耗散率方程修正的方法,数值模拟研究了气相湍流场、颗粒运动轨迹和轴向速度分布规律,开发研制出相应的通用计算软件,其预测结果与LDV实测值吻合较好.     

搅拌槽内多相流动数值模拟研究进展

综述了过程工业中广泛应用的搅拌槽反应器内多相流动数值模拟研究的进展.讨论多相湍流模型、相间作用力模型及搅拌桨处理方法等重要的数值模拟技术和方法,并对有关的计算模型进行了比较分析.针对搅拌槽内的各种多相体系,论述了不同研究者在桨区处理、相间动量传递描述和分散相的引入对体系湍流特性影响等方面的模拟方法并对结果作了比较.提出了需要进一步深入研究的课题.     

圆柱旋流器多相流场的数值分析

采用简化的多相流模型建立了圆柱旋流器内液固多相流动的数学描述,并用雷诺应力模型描述湍流,对圆柱旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟,得到了旋流器内不同截面上的速度分布和不同时间的体积分布状况。数值计算结果为前人的试验和理论总结提供了有力的支持,对旋流器的进一步研究有指导意义。     

液体燃料爆炸抛撒和云雾形成全过程的数值研究

对燃料空气云雾形成过程进行数值模拟。因过程的复杂性分近场与远场两个阶段处理。对近场阶段,利用运动边界处理方法,建立一维气相流动模型和液相运动模型。对远场阶段,采用多相流模型描述云雾膨胀运动过程。将两过程耦合,对抛撒全过程编制程序。数值预测给出了云雾区内的重要物理参数变化,计算的云雾外形变化曲线与实验结果具有较好的一致性。     

颗粒群绕流传质特性的格子Boltzmann模拟

为考察气固两相流中颗粒团聚对气固传质过程的影响,采用耦合传质的格子Boltzmann模型对在空间均匀分布的颗粒结构和非均匀分布的颗粒团聚物结构条件下的绕流过程进行了直接数值模拟,得到了气体绕颗粒流动的速度分布和伴随流动的浓度分布,发现颗粒团聚物对绕流过程的速度分布和浓度分布都具有明显的影响。通过对颗粒绕流的气固传质过程进行定量分析发现,在两种结构条件下计算得到的传质舍伍德数均随着雷诺数的增大而呈指数函数形式增大,并且在均匀结构条件下的传质舍伍德数一般为非均匀结构条件下的3~5倍,颗粒团聚物的存在将严重影响颗粒绕流过程的气固传质效率。通过格子Boltzmann方法建立的气固相间传质模型,可以为研究气固两相流介尺度结构的传递特性提供理论依据。     

单颗粒和颗粒群研究的挑战

Numerical simulation of multiphase flows in processing equipment in industry with two-fluid models and Eulerian-Lagrangian approaches requires the constitutive equations describing the interactions between the dispersed phase of high concentration and the continuous phase. The status of research on the forces on dispersed solid and fluid particles is reviewed in this article. As compared with the knowledge on drag of single solid particles, study on particle swarms and on other forces is not sufficient to meet the demand of reliable and efficient numerical simulation of multiphase flows. Thus, thorough study on the particle swarms becomes the key to accurate multi-scale simulation of multiphase flows. Besides, the development of efficient algorithm dealing with the non-uniformity on both equipment and mesoscopic scales is recognized as an important issue to be resolved. The research topics in the near future are suggested.     

电除尘器斜射流对粉尘颗粒沉降影响的数值模拟

电除尘器是火电厂中主要的除尘装置,运用多孔介质模型模拟气流分布板,通过调整气流分布板的开孔率,形成较好的斜射流,采用双流体模型中的混合模型对斜射流流型下的PM2.5进行数值模拟,并对比了斜射流和均匀气流两种流型下PM2.5的体积分数,得出斜射流可以提高电除尘器对PM2.5的除尘效率。     

离散型多相流动的研究进展(英文)

Dispersed multiphase flows, including gas-particle (gas-solid), gas-spray, liquid-particle (liquid-solid), liquid-bubble, and bubble-liquid-particle flows, are widely encountered in power, chemical and metallurgical, aeronautical and astronautical, transporta-tion, hydraulic and nuclear engineering. In this paper, advances and research needs in fundamental studies of dispersed multiphase flows, including the particle/droplet/bubble dynamics, particle-particle, droplet-droplet and bubble-bubble interactions, gas-particle and bubble-liquid turbulence interactions, particle-wall interaction, numerical simulation of dispersed multiphase flows, including Reynolds-averaged modeling (RANS modeling), large-eddy simulation (LES) and direct numerical simulation (DNS) are reviewed. The research results obtained by the present author are also included in this review.     

工业运行GSP气化炉数值模拟研究

对GSP气化炉内多相反应流场进行了数值模拟研究。计算结果表明:气化炉内为旋射流流场,颗粒沿着螺旋下降的迹线运行;炉内高温火焰区主要集中在气化炉中轴线上,从上至下,整体温度先升高后降低;火焰区域内CO和H2体积分数较低,而CO2和H2O体积分数相对较高。     

铝颗粒点火数值模拟

分析了准稳态铝颗粒在高温氧化剂中由于传热和表面的化学反应导致升温-熔化-升温-点火的过程，建立了铝颗粒点火模型，并对点火过程进行数值模拟。计算结果给出了对流传热、辐射传热、熔化热和异相表面反应热等对点火的影响。研究结果表明在点火过程中，铝的氧化在颗粒温度达到一定温度（T〉1000K）时才比较明显；点火时铝单质质量分数随环境温度的升高而略有增加，与颗粒尺寸无关；点火延时随着环境温度升高和颗粒半径的减小而缩短。     

颗粒负荷对小型旋风器性能影响的模拟分析

为探究颗粒负荷对小型旋风器内气固两相流动的影响,基于雷诺应力模型（RSM）和欧拉-欧拉方法的混合流模型（Mixture）进行气体-颗粒、颗粒-颗粒的相间耦合计算。采用粒径为0.5～5μm的颗粒组在40L/min、60L/min和80L/min的入口流量下模拟0~3kg/m³的5种不同颗粒浓度工况,通过对比旋风器内纯气相流场和颗粒负荷流场的不同,研究了颗粒的存在对流场的影响;探究了入口流量和浓度变化对旋风器内分离效率和压降特性的影响。基于模型有效性验证的数值模拟结果表明：较高颗粒浓度负荷使旋风器内的气相流场发生显著变化。随着入口流量的增大,旋风器的分离效率先增大后减小,压降呈非线性增大。随着颗粒浓度的增大,旋风器的分离效率逐渐增大,压降先减小后增大。     

纵流式管壳式换热器传热与流动特性的3D数值模拟研究

文章运用CFD软件Fluent分析了三种支撑结构对壳程性能的影响,可为工业用纵流式管壳式换热器优化及强化传热提供依据.文章探讨了水在三种不同支撑结构下的流阻与传热性能,得到不同支撑结构具有不同的传热效果,螺旋片相对其它两种支撑方式更有利于提高传热综合性能,并进一步对这三种换热器的传热强化机理进行了探讨.     

水下输气管道泄漏扩散特性模拟研究

建立了水下输气管道泄漏三维CFD数值模型,同时基于积分模型建立了预测数学模型,研究了不同泄漏速率和水深下气体在水体中扩散的速度、羽流半径以及上升到水面时形成泉涌高度的变化规律,并利用实验验证了两种模型的准确性,两种模型可以准确地模拟羽流特征参数的变化。结果表明：水下天然气管道泄漏扩散经历了初始阶段、充分发展阶段和表面流动阶段三个阶段,在气泡羽流上升过程中伴随着卷吸和紊动沸腾现象;羽流的径向速度近似呈高斯分布并且随着径向距离的增加逐渐降低;羽流的轴向速度随着水深的增加而降低,且在接近泄漏孔口的位置,轴线上羽流的速度急速衰减;随着气泡羽流紊动的发展,羽流半径逐渐向两侧发展并且随着水深近似呈线性增长。     

旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析

作为固液分离器的基础研究,应用龙格-库塔法对进入旋转态液体中的固体粒子由运动开始到被分离完成的全过程进行了数值计算。动力学模型中除考虑了重力、浮力、流体粘性力外,还考虑了假想质量力、Basst力、Sffm an扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在实验装置中与数值计算参数相同的条件下进行了可视化实验研究。计算结果发现,在运动开始阶段,粒子的粒径越小,加速度越大,很快进入运动平衡状态,相反粒子粒径越大,加速度越小。运动的第2阶段,直径大的粒子仍在加速运动,因此不同直径的粒子运动之间存在一个运动加速度、速度及位移逆转现象。数值解析结果与可视化实验结果进行了比较,证明了数学模型与计算结果的正确性。