基于格子Boltzmann方法颗粒团聚物曳力系数的数值模拟及应用研究

应用气固两相流动的格子Boltzmann-离散颗粒运动模型,气体流动采用格子Boltzmann方法的D2Q9模型,固体颗粒运动采用牛顿第二运动定律计算,壁面采用具有二阶计算精度的半步长反弹边界条件,数值模拟了循环流化床提升管内颗粒团聚物的运动过程。模拟结果表明,颗粒团聚物的气固相间曳力系数随颗粒团聚物的空隙率和雷诺数的增大而减小;拟合得到基于格子Boltzmann方法的气固相间曳力模型;采用基于格子Boltzmann方法的气固相间曳力模型的欧拉-欧拉双流体模型模拟循环流化床提升管内颗粒相密度和颗粒质量流量径向分布,模拟结果与实验结果很接近。     

1025t/h循环流化床内气固两相流动及反应特性的数值研究

应用欧拉-欧拉双流体模型模拟气固流动行为,同时采用气固相间的化学反应模型,气固相间曳力采用基于颗粒悬浮输送能量最小(MECST)的曳力模型模拟,研究1 025t/h循环流化床内气固流动及其反应特性。结果表明,炉膛内气体温度的分布呈现底部气体温度较低、裤衩腿末端区域气体温度较高、顶部气体温度降低的分布特性,模拟获得了炉膛内O2、CO2及CO质量分数的分布规律。     

不同曳力模型对提升管内气固流动特性的影响

在考虑稠密气固两相流中颗粒具有非均匀流动特性的情况下,提出了基于颗粒团聚效应的气固相间曳力模型,数值模拟循环流化床提升管内气固两相的流动特性。模拟计算时考虑气固相间的作用力,壁面处气相采用无滑移边界条件,固相采用考虑颗粒与壁面的碰撞和颗粒与壁面的简单摩擦作用的壁面边界条件。结果表明,考虑颗粒团聚效应的曳力模型能很好地反映提升管内气固两相流动特性,模拟结果比应用Gidaspow曳力模型的计算结果更接近文献[16]的试验结果。     

颗粒碰撞恢复系数对循环流化床提升管内气固流动模拟的影响

将基于能量最小多尺度方法的曳力模型耦合到欧拉-欧拉双流体模型中,采用全滑移边界条件处理壁面处的颗粒相,对颗粒相为Geldart A类颗粒的循环流化床体系进行了模拟研究。考察了6种颗粒碰撞恢复系数(ess)(0,0.5,0.8,0.9,0.99,0.995)对提升管内轴向空隙率和颗粒循环量等气固流动特性的影响。模拟结果表明,由6种ess计算的轴向空隙率分布结果均呈现典型的底部密相区、中间过渡区和顶部稀相区的"S"型分布;ess较大(0.99,0.995)时能够提高提升管内轴向空隙率分布预测值和实测值的吻合程度,预测值更真实。;当ess=0.99,0.995时,提升管底部的颗粒相浓度分布预测结果呈现典型的"环-核"结构特征;ess对提升管底部颗粒相浓度和速度径向分布的影响较大。     

催化裂化提升管内气固流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型及颗粒动力学理论对Y型提升管内的气固两相流动进行了三维数值模拟研究。分析了提升管内的气固流动特征,比较了不同表观气速和不同颗粒循环量下提升管内的运动特性。研究结果表明,提升管内存在典型的非均匀流动特点,固含率轴向分布为单调递减分布,径向分布为典型的环核流动结构,表观气速和颗粒循环量对提升管内的流动有重要影响。     

变径提升管反应器扩径段内气固流动特性研究

在变径提升管冷模装置上,以空气和催化裂化平衡剂为介质,考察了颗粒浓度的轴径向分布情况,并对扩径段内的微观流动特性进行了分析。结果表明,变径提升管内颗粒浓度整体上呈“上稀下浓”的分布形式,且沿轴向高度径向不均匀指数逐渐减小。与传统提升管底部相比,扩径段内颗粒浓度及间歇性指数显著增大,且沿径向分布更均匀,说明气固作用力显著增强,并且气固微观流动行为沿径向变化梯度减小。气固微观流动行为受反应器结构影响显著,变径提升管扩径段内气固流动行为类似湍流床,颗粒浓度波动幅度大,频率高,稀相和浓相分布相对均匀,有利于强化气固两相的接触及混合过程。     

高温鼓泡床内气固两相流动的数值模拟

针对高温鼓泡床内的气固两相流动,在热态鼓泡床中试装置的基础上建立了鼓泡床物理模型,采用团聚曳力模型对高温鼓泡床内气固两相流动进行模拟研究。模拟结果表明,当颗粒当量直径为235μm时,模拟得到的床层密度与实验值吻合较好;随温度的升高,气固曳力增大,使得床层密度有所降低;对颗粒体积分数的概率分布及压力脉动方差的分析表明,随温度的升高,固相中的颗粒减少,而气相中的颗粒增多,同时气泡尺寸有所增大,床层气固两相运动更加剧烈。     

曳力模型及镜面系数对鼓泡床气固流场的影响

为获悉曳力模型和镜面系数(ψ)对鼓泡床内流动特性的影响规律,利用颗粒动力学理论和欧拉双流体模型对鼓泡床内气固流场进行了数值模拟,考察了床层膨胀率、压降以及颗粒速度特性。实验结果表明,De Felice模型对于床层压降预测效果最好,Wen-Yu模型的固含率径向分布和颗粒速度矢量预测与实验值误差较大,Gidaspow与De Felice模型床层膨胀量接近,而De Felice模型的径向速率分布与实验值最接近;随着鼓泡床内表观气速的增加,De Felice模型对床层膨胀率的预测愈加接近实验值;随着ψ增大,壁面附近固含率较高,曲线波动梯度增大;当ψ=0.1时,固含率分布与实验值最接近,表明颗粒与壁面动量互换效果最好。     

工艺参数对短接触旋流反应器内颗粒流动特性影响的数值研究

运用欧拉双流体模型对新型短接触旋流反应器内气、固两相流场进行了数值模拟,考察了操作参数和颗粒直径对反应器内颗粒流动分布的影响。结果表明,操作气速大于基准条件会降低反应器混合腔内的气 固接触效果,而在不影响流化状态的情况下适当增大催化剂的质量循环流率对催化剂的均匀分布有利。在基准操作条件下,5和30μm粒径颗粒在反应器内的浓度分布梯度较大、均匀性较差,并且5 μm颗粒与反应产物的分离也不彻底。因此,催化剂宜选用平均粒径为10μm左右的颗粒,既可以强化接触效果,也不会出现返混夹带现象,保证后续工艺流程的顺利进行。催化剂颗粒是否均匀分布是影响反应收率的最主要因素之一,本研究结果为短接触旋流反应器的工业应用及性能改进提供了重要的理论参考依据。     

预提升对循环流化床反应器中气固流动特性的影响

以催化裂化平衡剂为固体介质、常温空气作为流化气体,在循环流化床冷态模拟试验装置上分别考察了表观气速、颗粒贮量、下料蝶阀开度、预提升气量等操作条件对循环流化床反应器催化剂循环速率的影响,并探讨了产生这种影响的原因;同时,深入研究了预提升出口位置对系统内催化剂循环速率、提升管底部轴向、径向颗粒浓度分布的影响,并描述了气固两相交汇点处的微观流动结构。结果表明:随着操作气速的升高,气、固相之间的相互作用增强,颗粒循环速率提高;伴床及蝶阀通过提供足够的压力支持提升管内的两相流动,增加颗粒贮量或减小蝶阀压降可有效提高颗粒循环量;通入预提升气可增大颗粒向前运动的推动力,避免颗粒发生坍落而沉积于床层底部;当伴床向提升管提供足够的颗粒循环速率时,预提升出口位置的提高破坏了颗粒的向下流动,迫使颗粒进入中心快速向上的气固流动区,从而改变气、固相交汇点处的流动结构;另外,不同预提升结构对颗粒浓度的影响有限,并未从根本上改变轴向、径向颗粒浓度的分布规律。     

垦东405-平1大位移井摩阻扭矩预测及分析研究

为了分析垦东405-平1大位移井钻井施工的可行性，预测起下钻、下套管和钻进时的摩阻、扭矩，分析了各种摩阻扭矩计算模型的优缺点，选择了计算方法可靠、适合于现场应用的软模型，但考虑到大刚度管柱在高曲率井眼中的摩阻扭矩计算误差较大，引入了附加刚性力的概念对其进行了修正，通过管柱力学平衡方程建立了摩阻扭矩计算的修正硬模型。根据该井二开和三开下套管过程中大钧载荷与套管下深关系的预测结果和实测结果的对比情况，所建模型可以满足现场工程要求，且预测结果可指导大位移水平井的施工。     

高效厌氧生物反应器内的湍流特性及结构优化

采用数值模拟方法研究了高效厌氧生物反应器内的湍流及多相流传质过程。通过重整化群k ε湍流模型(RNG k ε)和欧拉多相流模型构建反应器内多相湍流流动控制方程。在此基础上,应用自定义函数(UDF)方式修正了计算流体力学软件Fluent中的曳力模型,并植入欧拉多相流模型,建立高效厌氧生物反应器内气 液 固多相流动模型,并模拟计算了反应器内多相流过程,同时对其结构进行优化。结果表明,修正后的多相流动模型计算得到的流场特征与实验数据吻合,验证了所采用的湍流模型和计算方法的准确性;优化后的反应器内多相流传质效果明显提高。该方法较为准确地预测了反应器内传质过程,可以用于高效厌氧生物反应器的工程应用改进。     

Numerical simulation of predicting and reducing solid particle erosion of solid-liquid two-phase flow in a choke

Chokes are one of the most important components of downhole flow-control equipment. The particle erosion mathematical model, which considers particle-particle interaction, was established and used to simulate solid particle movement as well as particle erosion characteristics of the solid-liquid two-phase flow in a choke. The corresponding erosion reduction approach by setting ribs on the inner wall of the choke was advanced. This mathematical model includes three parts： the flow field simulation of the continuous carrier fluid by an Eulerian approach, the particle interaction simulation using the discrete particle hard sphere model by a Lagrangian approach and calculation of erosion rate using semiempirical correlations. The results show that particles accumulated in a narrow region from inlet to outlet of the choke and the dominating factor affecting particle motion is the fluid drag force. As a result, the optimization of rib geometrical parameters indicates that good anti-erosion performance can be achieved by four ribs, each of them with a height （H） of 3 mm and a width （B） of 5 mm equaling the interval between ribs （L）.     

考虑海底边界影响的管道水动力特性研究

利用雷诺平均方程,采用SSk-ω湍流模式,建立了一个研究海底管道水动力特性的数值模型。利用该模型在Re为对不同间隙比下定常流通过海底悬跨管道进行了数值模拟,得到了管道的升阻力系数并分析了升阻力与间隙比的关系。通过与试验数据和数值结果进行对比和对升阻力系数曲线作FFT变换,分析了该模型的可靠性,推测出临界间隙比,进而分析了尾涡形式及其产生与抑制机理。     

深水气井测试临界携液条件的优化设计

在深水气井测试设计中,通常采用定值曳力系数悬浮液滴理论模型判断气井测试流量是否具备携液能力。由于对深水气井全井筒携液能力预测缺乏针对性的研究,上述方法设计的携液临界条件较为保守,导致结果误差偏大,实际作业中存在着积液风险,影响了深水气井现场测试的安全性。为此,通过全域拟合方法采用雷诺数修正曳力系数得到计算关联式,据此确定适合深水气井条件的较高精度天然气物性参数,最终建立了修正参数临界携液模型。基于实际案例对模型进行对比分析,证明修正参数模型能够满足深水气井测试临界携液条件设计需要,有效解决了现有悬浮液滴理论模型采用定值曳力系数对全井段进行携液预测临界值偏小等问题,提高了预测精度。结论认为,修正参数模型针对温度、压力、凝析液气比及测试管柱内径等进行敏感性分析,较为直观了解深水气井测试管柱内临界携液条件变化趋势,为优化深水气井测试安全高效参数设计提供了技术支撑。