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。     

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。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2～4之间。     

粗糙颗粒碰撞参数对鼓泡流化床内气固流动模拟的影响

结合粗糙颗粒动力学理论和双流体方法,数值模拟了碰撞参数对鼓泡流化床内稠密气固两相流动特性的影响. 结果表明,增大摩擦系数或减小法向弹性恢复系数会使床内颗粒分布更为不均,并增强床层膨胀及压力降脉动. 合理选取摩擦系数模拟得到时均气固流场分布,与实验吻合,罂粟籽颗粒的摩擦系数取0.3~0.6较合适. 法向弹性恢复系数改变不影响时均气固流场分布的基本形态,其取值敏感性不如摩擦系数;切向弹性恢复系数对鼓泡流化床动态特性及时均气固流场的影响相对较弱.     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明:采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明：采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

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。     

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。     

气固搅拌流化床内压力脉动特性的数值模拟

在传统气固流化床中引入搅拌桨,可减轻聚合物颗粒的黏附并强化流态化过程。采用计算流体力学(CFD)方法对搅拌流化床内的压力脉动特性进行数值模拟,考察流态化过程中的气泡行为。模拟过程采用多重参考坐标系方法解决搅拌桨区域的运动问题,由欧拉双流体模型和颗粒动力学方法模拟气固两相流。床层压力脉动的统计分析和功率谱分析表明,随着搅拌桨转速的增加,流化床内的压力脉动标准偏差和功率谱幅值变小,床层内的平均气泡尺寸减小,床层可由鼓泡流态化向散式流态化转变。     

不同曳力模型及颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内气固流场的影响

为考察曳力模型和颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内流动特性的影响,基于双流体模型, 结合颗粒动力学理论,对反应器内气固两相流场进行模拟研究。分别采用Gidaspow、Wen & Yu和Syamlal-O’Brien 3种曳力模型, 考察颗粒速度特性以及固含率径向分布。对比分析不同曳力模型的计算结果表明,Syamlal-O’Brien模型计算结果与实验结果误差较大,Wen & Yu模型在反应器边壁附近区域的计算结果误差较大,Gidaspow模型计算结果与实验结果最为吻合。此外,颗粒碰撞恢复系数较小时,所得计算值小于实验测量值,当恢复系数为0.95时颗粒扩散效果最好,计算结果与实验数据吻合度最高。     

水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数值模拟

利用一种非牛顿流体黏度修正模型描述水力旋流器内高浓度矿浆的非牛顿流动特性,并结合雷诺应力模型(RSM)、混合多相流模型(Mixture)以及拉格朗日颗粒追踪模型(LPT)建立了一种适用于模拟水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数学模型。模拟结果与报道的实验值的相对误差均在10%以内,表明了该模型的可靠性。结果表明,非牛顿流体黏度的空间分布与矿浆密度的空间分布类似。沿零轴速包络面(LZVV)的轮廓存在一个高密度环,其原因为某粒径范围内的颗粒受到的径向合力为零,颗粒群沿LZVV做高速旋转运动。分散相的空间分布取决于不同粒径的颗粒受力。对于不同粒径的单位质量颗粒,向外离心力的数值大约为向内压力梯度力的两倍左右,使得大颗粒进入下行流并在底流口收集。随着颗粒粒径的减小,总体向内且具有波动性的流体曳力呈指数增长。向内的流体曳力将部分颗粒推向轴心,经上行流逃逸,同时也增强了颗粒运动的随机性。当颗粒粒径小于一定值后,流体曳力远远大于离心力和压力梯度力,颗粒运动的随机性非常强,宏观表现为均匀分布。     

CFD–DEM simulation of tube erosion in a fluidized bed

The erosion of the immersed tubes in a bubbling‐fluidized bed is studied numerically using an Eulerian–Lagrangian approach coupling with a particle‐scale erosion model. In this approach, the motion of gas and particles is simulated by the CFD–DEM method, and an erosion model SIEM (shear impact energy model) is proposed to predict the erosion of the tubes. The model is validated by the good agreement of the simulation results and previous experimental data. By analyzing the simulation results, some characteristics of the tube erosion in the fluidized bed are obtained, such as the distribution of the erosion rate around the tube, the variation of the erosion rate with the position of the tube, the effect of the friction coefficient of particles on the erosion, the relationship between the maximum and the average erosion rate, etc. The microscale behavior of particles around the tubes is also revealed and the linear relationship between the erosion and the shear impact energy is confirmed by the simulation results and experiment. The agreement between simulation and experiment proves that the microscale approach proposed in this article has high accuracy for predicting erosion of the tubes in the fluidized bed, and has potential to be applied to modeling the process in other chemical equipment facing solid particle erosion. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 418–437, 2017     

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。     

Analysis of model parameters affecting the pressure profile in a circulating fluidized bed

This study focuses on continuum model validation of the flow of air and small catalyst particles in a circulating fluidized bed. Comparison with available experimental data of pressure drop and solids circulation rate in the riser clearly demonstrates the need to modify the homogeneous drag model to accurately predict the formation of clusters of particles, which are typically observed in the fluidization of small particles. The need to correct the drag law is also demonstrated in simulations of polydisperse powder flows wherein three solids species are used to represent a typical catalyst size distribution. Finally, particle‐wall friction is found to have the most significant effect on the vertical gas pressure gradient while particle–particle friction has only a minor effect. Published 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 58: 427–439, 2012