气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产,而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中,它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响,是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型;本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟,在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体,同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明,结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性,同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用,对模拟结果影响显著。     

静电效应对有无埋管气固鼓泡床内气泡特性的影响分析

采用基于双流体模型(TFM)耦合静电模型的方法,研究颗粒的静电对有无埋管气固鼓泡床内气固流动特性和气泡特性的影响。首先在无静电场存在的条件下,利用双流体模型对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的流动情况进行模拟并与实验结果进行对比;进一步耦合静电模型,考察静电对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的整体性质和气泡特性的影响。研究结果表明,在无静电场条件下采用双流体模型能较好地预测自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的气固流动状况以及气泡的平均直径和气泡的上升速度。埋管的存在使鼓泡床内气固流动发生强烈扰动,并使气泡的平均直径和气泡的上升速度均呈振荡分布。静电的存在对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的平均固含率影响不大,但对气泡分布规律影响较大,使得自由鼓泡床内气泡数目减少,而埋管鼓泡床下部区域的气泡分布比较集中,上部有大气泡出现。     

鼓泡床反应器流动特性的CFD研究进展

从计算模型和影响因素2个方面系统综述了鼓泡床反应器内气液两相流CFD的研究进展。介绍了与模型建立相关的多相流模型、湍流模型、相间作用力和气泡尺寸模型的选择和适用情况。总结了表观气速、液相性质、反应器尺寸、分布器和内构件等对反应器流动特性的影响。最后指出了目前存在的不足,并对其发展进行了展望。     

不同固相黏度模型对鼓泡床气泡行为的数值模拟

基于双流体模型,应用Fluent软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气泡行为进行数值模拟。采用常固相黏度模型(CPV)和基于颗粒动理学的固相黏度模型(KTGF),通过计算气泡的形成、气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度对不同模型进行比较研究,其中编程实现了KTGF模型中的Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型模块。通过与文献中的实验数据进行对比发现KTGF模型普遍优于CPV模型,其中Lun等模型与Hrenya和Sinclair模型的模拟值最接近实验数据。     

鼓泡床中的气泡尺寸分布

根据气泡聚并和破裂速率模型,提出一个描述鼓泡床中气泡尺寸分布的总体平衡(Population Balance)模型。该模型可预计鼓泡床中气泡尺寸分布随床高的变化。对空气-水体系的模拟结果与实测结果吻合较好。     

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度（energy-minimization multi-scale,EMMS）方法已经被应用于气液体系中群平衡（population balance model,PBM）模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s^-1和0.25 m·s^-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。     

鼓泡床内气泡直径的分布

气泡的直径分布是决定鼓泡床反应器气液接触面积的重要参数，其轴向分布对鼓泡床反应器的设计和性能优化具有重要意义。喷嘴作为气体分布器的最小单元，对气体分布器的分布性能起决定性因素。本文考察了不同孔径喷嘴对鼓泡床内气泡分散的影响，结果表明，对于在孔口产生的小于最大稳态气泡直径ds的气泡，将稳定存在于床层内，而直径大于ds的气泡，将迅速破碎，最后形成近乎一致的气泡粒度分布，喷嘴的影响距离在21cm左右。     

加压大型鼓泡床反应器内大小气泡气含率研究

在内径0.3m、高6.6m的加压鼓泡床反应器内采用床层塌落技术测量床层内的大小气泡气含率实验。由于大小气泡上升速度不同,床层塌落曲线存在一水平段,在此基础上,详细考察了表面张力、粘度、系统压力、表观气速对大小气泡气含率的影响,得出大气泡气含率随粘度和表面张力升高而升高,随压力升高而降低;小气泡气含率随粘度和表面张力升高而降低,随压力升高而升高;并根据质量守恒定理,进行了解释。     

单孔及微孔曝气低气速鼓泡床内气泡行为比较

引言鼓泡床反应器被广泛应用于吸收、液相氧化、好氧生化等气液反应过程,气体在液相中的分散情况对鼓泡床的反应和传质特性都有很大影响.为了提高气液传质效率,增加生产强度,工业反应器很多都是在高气速下操作(Ug>0·05m·s-1),很多研究都集中在高气速湍动鼓泡区[1~3].但对有机     

耦合EMMS曳力与简化双流体模型的气固流动模拟

提出了一种耦合EMMS曳力的简化双流体模型,该模型忽略固相黏度,用简单的经验关联式来计算固相压力,并且耦合考虑了介尺度结构的EMMS曳力模型来计算气固相间作用力。采用简化双流体模型成功模拟一个三维实验室尺度鼓泡流化床,数值模拟结果与完整双流体模型以及实验测量结果进行了比较,结果表明耦合EMMS曳力的简化双流体模型模拟结果与完整双流体模型耦合EMMS曳力的模拟结果基本相当,并且都与实验结果吻合良好,然而简化双流体模型的计算速度是完整双流体模型的两倍以上。这表明曳力模型在气固模拟中起着主导作用,而固相应力的作用是其次的,耦合EMMS曳力的简化双流体模型在实现工业规模气固反应器快速模拟中具有巨大潜力。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

Numerical investigation for the suitable choice of bubble diameter correlation for EMMS/bubbling drag model

Mesoscale bubbles exist inherently in bubbling fluidized beds and hence should be considered in the constitutive modeling of the drag force. The energy minimization multiscale bubbling(EMMS/bubbling) drag model takes the effects of mesoscale structures(i.e., bubbles) into the modeling of drag coefficient and thus improves the coarse-grid simulation of bubbling and turbulent fluidized beds. However, its dependence on the bubble diameter correlation has not been thoroughly investigated. The hydrod...     

拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构（如气泡）对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的“三传一反”行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体（TFM）传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

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。     

Computational study of bubble coalescence/break-up behaviors and bubble size distribution in a 3-D pressurized bubbling gas-solid fluidized bed of Geldart A particles

A computational study was carried out on bubble dynamic behaviors and bubble size distributions in a pressurized lab-scale gas-solid fluidized bed of Geldart A particles. High-resolution 3-D numerical simulations were performed using the two-fluid model based on the kinetic theory of granular flow. A fine-grid, which is in the range of 3–4 particle diameters, was utilized in order to capture bubble structures explicitly without breaking down the continuum assumption for the solid phase. A novel bubble tracking scheme was developed in combination with a 3-D detection and tracking algorithm (MS3DATA) and applied to detect the bubble statistics, such as bubble size, location in each time frame and relative position between two adjacent time frames, from numerical simulations. The spatial coordinates and corresponding void fraction data were sampled at 100 Hz for data analyzing. The bubble coalescence/break-up frequencies and the daughter bubble size distribution were evaluated by using the new bubble tracking algorithm. The results showed that the bubble size distributed non-uniformly over cross-sections in the bed. The equilibrium bubble diameter due to bubble break-up and coalescence dynamics can be obtained, and the bubble rise velocity follows Davidson’s correlation closely. Good agreements were obtained between the computed results and that predicted by using the bubble break-up model proposed in our previous work. The computational bubble tracking method showed the potential of analyzing bubble motions and the coalescence and break-up characteristics based on time series data sets of void fraction maps obtained numerically and experimentally.     

稠密气固两相流动的颗粒二阶矩方法及鼓泡床流化特性的模拟

采用颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型。应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭。考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型。数值模拟鼓泡流化床内气固两相流动特性,模拟结果表明鼓泡流化床内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性。预测颗粒速度与Muller等和Yuu等实测结果相吻合。预测颗粒脉动速度二阶矩与Muller等实验结果变化趋势相同。统计得到的固相雷诺应力型二阶矩与Muller等实测颗粒脉动速度二阶矩和Yuu等实测颗粒脉动速度相吻合。     

Numerical study of biomass gasification combined with CO2 absorption in a bubbling fluidized bed

Biomass gasification combined with CO₂ absorption-enhanced reforming (AER) in a bubbling fluidized bed (BFB) reactor is numerically studied via the multiphase particle-in-cell (MP-PIC) method featuring thermochemical and polydispersity sub-models. A novel bubble detection algorithm is proposed for efficiently characterizing bubble morphology. The effects of several crucial operating parameters on the microscale particle behaviors, mesoscale bubble dynamics, and macroscale reactor performance of the AER gasification process are analyzed. Compared with conventional gasification, AER gasification reduces the CO₂ concentration by 33.58% but elevates the H₂ concentration by 32.13%. Higher operating temperature and steam-to-biomass (S/B) ratio promote H₂ generation but deteriorate gasification performance. A lower operating pressure improves gas–solid contact efficiency and gasification performance as the increased operating pressure inhibits bubble dynamics and particle kinematics. Compared with pure sand as bed material, the mixed bed material (CaO:sand = 1:1) significantly improves gasification performance by enhancing H₂ generation and CO₂ removal.