快速流化床颗粒团絮特征的MP-PIC数值模拟

为了研究快速流化床颗粒的团絮特征,建立了基于多相质点网格法的快速流化床气固多相流三维数理模型,气相场采用大涡湍流模型,通过求解牛顿运动方程得到颗粒相运动信息,气固间相互作用力采用Gidaspow曳力模型,固体间作用力通过计算颗粒应力梯度得到。基于该模型,对三维快速流化床上升管（H=3 m、d=0.1 m）气固流动开展了数值模拟,并与实验进行了校正,研究了在气速工况U_g=5.28 m·s^-1下的颗粒（ρ_p=2650 kg·m^-3、d_p=250 mm）团絮性质,实现了对上升管内颗粒团絮的基本类型（条形团絮、马鞍形团絮、U形团絮）的成功预测,并揭示了不同类型团絮在上升管内形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。结果表明,上升管径向颗粒团絮的平均颗粒浓度分布呈现中间低两边高的环核结构,颗粒团絮速度的分布与其相反;随着轴向高度的增加,颗粒团絮的颗粒浓度逐渐降低而速度逐渐增加,但达到一定高度后变化减缓。     

循环流化床颗粒团絮现象分析及对策研究

通过中试装置核心反应器床层温度分布梯度、床层压降以及流化操作气速分析后认为,流态化过程当中造成颗粒团絮的原因主要是床层形态;可从工艺控制方面通过调整循环流化床循环倍率、操作气速,可有效控制颗粒团絮的尺寸、数量以及速率。     

循环流化床中颗粒聚团特性的模拟

考虑到循环流化床中分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确定了密相和稀相加速度与计算网格局部参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,基于双变量极值理论,构建了考虑颗粒团聚效应的多尺度气固相间曳力模型。结合双流体模型,对循环流化床内气固流动特性以及颗粒聚团特性进行了模拟研究。通过与实验值比较,考虑颗粒聚团影响的计算模型可以更好地贴近实验结果,颗粒聚团直径随颗粒浓度增大呈现先增大后减小的分布趋势,气体和颗粒的加速度在模拟中与重力加速度同处一个数量级,求解过程中不能被忽略。     

循环流化床中颗粒聚团特性的模拟

考虑到循环流化床中分散颗粒和颗粒聚团同时存在的多尺度结构,确定了密相和稀相加速度与计算网格局部参数之间的关系,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,基于双变量极值理论,构建了考虑颗粒团聚效应的多尺度气固相间曳力模型。结合双流体模型,对循环流化床内气固流动特性以及颗粒聚团特性进行了模拟研究。通过与实验值比较,考虑颗粒聚团影响的计算模型可以更好地贴近实验结果,颗粒聚团直径随颗粒浓度增大呈现先增大后减小的分布趋势,气体和颗粒的加速度在模拟中与重力加速度同处一个数量级,求解过程中不能被忽略。     

基于MP-PIC方法的冶金硅氢氯化流化床反应器模拟

冶金硅氢氯化流化床是目前多晶硅生产工艺中实现四氯化硅（silicon tetrachloride, STC）循环利用的关键反应器。基于MP-PIC方法建立了冶金硅氢氯化流化床反应器模型。模型中反应源项采用总包反应动力学进行计算。在网格以及计算颗粒包含的真实颗粒数量无关性检验的基础上,对反应器内三氯氢硅（trichlorosilane, TCS）初始浓度进行了无关性检验。模型验证结果表明,模拟结果与实验值符合良好。反应器特征分析结果表明：TCS产率受化学平衡与气固两相流动因素共同控制;反应器操作压力对TCS产率的影响较小;提高进口H₂/STC摩尔比,可以提高TCS产率但会降低H₂的转化率。     

基于MP-PIC方法的冶金硅氢氯化流化床反应器模拟

冶金硅氢氯化流化床是目前多晶硅生产工艺中实现四氯化硅（silicon tetrachloride, STC）循环利用的关键反应器。基于MP-PIC方法建立了冶金硅氢氯化流化床反应器模型。模型中反应源项采用总包反应动力学进行计算。在网格以及计算颗粒包含的真实颗粒数量无关性检验的基础上,对反应器内三氯氢硅（trichlorosilane, TCS）初始浓度进行了无关性检验。模型验证结果表明,模拟结果与实验值符合良好。反应器特征分析结果表明：TCS产率受化学平衡与气固两相流动因素共同控制;反应器操作压力对TCS产率的影响较小;提高进口H₂/STC摩尔比,可以提高TCS产率但会降低H₂的转化率。     

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。     

纳米颗粒聚团流化特性的数值模拟

基于气固两相流体动力学和流态化理论,建立气体纳米颗粒气固两相双流体模型.模型中采用了Jung&Gidaspow[1]测量的固相应力模量,并应用了王垚,金涌,魏飞[2]提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒聚团的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

液固流化床内双组分颗粒流动数值模拟

采用MFIX-DEM方法对液固流化床内双组分不同密度的颗粒流动进行数值模拟,用BVK曳力模型计算相间作用力,研究表明:在固相颗粒与流体的密度差带动下,轻颗粒向上运动,重颗粒向下运动,最终两种颗粒实现分离;在颗粒的运动过程中,颗粒的压力梯度力在总力中占主导地位,是颗粒随机运动的主要因素;碰撞力在颗粒的混合过程中起主导作用...     

单孔射流流化床内颗粒混合特性的数值模拟

在欧拉-拉格朗日坐标系下,采用离散单元法对单孔射流流化床内颗粒混合特性进行了数值模拟。引入混合指数对床内轴向及径向布置的颗粒混合质量进行定量分析,并研究了不同表观气速、不同弹性系数对颗粒混合特性的影响。模拟得到了颗粒轴向及径向混合序列图、气体和颗粒速度分布、整床颗粒混合指数分布、参量变化时整床颗粒混合指数分布。结果表明：流化床床层内颗粒混合速度受颗粒内循环能力和颗粒扩散能力的综合作用。单口射流喷动流化床颗粒轴向混合速度主要由颗粒内循环速度决定,颗粒径向混合速度主要由颗粒扩散能力决定。表观气速增大时,颗粒内循环速度增加,从而加快了颗粒轴向混合进程,但对颗粒径向混合影响微弱;弹性系数增大时,颗粒混合速度及混合质量均下降,并且弹性系数增大对颗粒径向混合进程影响小于颗粒轴向混合。     

多段分级转化流化床颗粒浓度的数值模拟

多段分级转化流化床煤气化反应器是由鼓泡射流流化床和快速流化床耦合而成的新型气化炉,采用欧拉双流体模型对其气固两相流动行为进行了数值模拟。模拟结果表明,两种流型的耦合,并非两种流态形式的简单叠加,回料口下段床内轴向浓度呈"C"型分布,上段轴向浓度呈指数分布,与实验结果较接近。同时考察了局部位置的颗粒浓度分布及其随操作条件的变化情况,表明快速床稀相段边壁区域颗粒浓度波动较中心强烈,且对操作条件的变化敏感,回料口附近的偏流现象以及过渡渐缩段的颗粒弹溅现象均与实验观察一致。研究得到的规律可指导多段分级转化流化床的设计和优化。     

单孔射流流化床内颗粒混合特性的数值模拟

在欧拉-拉格朗日坐标系下,采用离散单元法对单孔射流流化床内颗粒混合特性进行了数值模拟。引入混合指数对床内轴向及径向布置的颗粒混合质量进行定量分析,并研究了不同表观气速、不同弹性系数对颗粒混合特性的影响。模拟得到了颗粒轴向及径向混合序列图、气体和颗粒速度分布、整床颗粒混合指数分布、参量变化时整床颗粒混合指数分布。结果表明:流化床床层内颗粒混合速度受颗粒内循环能力和颗粒扩散能力的综合作用。单口射流喷动流化床颗粒轴向混合速度主要由颗粒内循环速度决定,颗粒径向混合速度主要由颗粒扩散能力决定。表观气速增大时,颗粒内循环速度增加,从而加快了颗粒轴向混合进程,但对颗粒径向混合影响微弱;弹性系数增大时,颗粒混合速度及混合质量均下降,并且弹性系数增大对颗粒径向混合进程影响小于颗粒轴向混合。     

快速流化床中颗粒团聚现象的数值模拟--曳力关联式的选择

Drag force is a key parameter in the numerical modeling of gas-particle flow in circulating fluidized beds.The reliability of current drag force correlations over the regime of fast fluidization has,however,not been thoroughly investigated.In this article,a drag force correlation accounting for the clustering effects for Geldart A particles is used to simulate the behaviors typical of fast fluidization,including dynamic evolution of clusters as well as time- averaged axial and lateral voidage profiles.Diverse images of clusters are captured and the time-averaged profiles of voidage are shown to be in quantitative agreement with the present empirical correlation.The results based on different constitutive correlations of drag force show the importance of the choice of drag force in modeling fast-fluidized beds.This drag force correlation,based on a simple averaging assumption,could give some basic insights about the magnitude of the drag reduction.     

快速流化床中颗粒团聚现象的数值模拟——曳力关联式的选择

Drag force is a key parameter in the numerical modeling of gas-particle flow in circulating fluidized beds. The reliability of current drag force correlations over the regime of fast fluidization has, however, not been thoroughly investigated. In this article, a drag force correlation accounting for the clustering effects for Geldart A particles is used to simulate the behaviors typical of fast fluidization, including dynamic evolution of clusters as well as time- averaged axial and lateral voidage profiles. Diverse images of clusters are captured and the time-averaged profiles of voidage are shown to be in quantitative agreement with the present empirical correlation. The results based on different constitutive correlations of drag force show the importance of the choice of drag force in modeling fast-fluidized beds. This drag force correlation, based on a simple averaging assumption, could give some basic insights about the magnitude of the drag reduction.     

高温大颗粒气固流化床流化行为数值模拟

通过数值模拟,对内含直径为3 mm流化颗粒的二维高温流化床开展了研究。其中欧拉途径被用于描述气相运动,而对颗粒相描述则采用拉格朗日途径。采用离散单元法跟踪颗粒在不同时刻位置和速度。结果表明:与300K时相比,1 000 K高温床的临界流化风速有所提高,压降脉动及床层最大膨胀比明显降低。1 000 K时,流化数提高至1.67,高温床内可见到大尺寸的气泡。在气泡之外上、下2个区域中处于气泡对称轴上的颗粒,水平速度具有相反的方向;而y方向上,这二部分颗粒群的速度均向上并大致在10-1m/s范围之内。     

喷入颗粒与气相快速混合数值模拟

为解决化工领域内气固反应器入口2相混合不均造成反应效率较低的问题,设计了1种气固相快速混合的装置,并通过FLUENT软件,采用RNG k-epsilon模型、simple算法,模拟了该装置应用于循环硫化床反应器时的非稳态气固相混合效果,并将模拟结果和已有实验或模拟研究结论进行了对比。结果发现,颗粒沿锥型钝体下滑,可快速布散在整个截面,实现气固相快速混合;整流罩外测流动有利于加强壁面气流流速,破坏流化床内的环核流动,提高颗粒轴向混合;整流罩内侧流动绕流钝体加速气固相扰动,增强气固相传质。     

脉动流化床的数值模拟

运用Fluent 6．3中的欧拉-欧拉模型模拟传统流化床与锯齿形波脉动进气流化床的运动特性，并进行对比，针对沿床高的气泡高度、当量直径及内压等因素进行分析，得出脉动锯齿形波进气流化效果比传统流化效果明显提高。     

振动流化床中气泡和颗粒运动特性的数值模拟

基于欧拉模型,应用计算流体力学软件Fluent,数值模拟了二维振动流化床的颗粒运动特性,考察了振动流化床内气泡和颗粒速度的分布规律。模拟结果发现:由于振动的作用,床底部与布分板之间会形成间隙,促进了大气泡的形成;随着振动频率、强度的增加,颗粒运动速度增大,流化床内大气泡的形成减少。     

快速流化床的整体模拟

工业应用中的快速流化床一般不能直接对固相速度进行调控,属于B类操作.本文采用一维双流体模型与存料量方程相结合的方法可以计算B类操作时的上升管内具有浓、稀两相特征的轴向空隙率分布,模拟与实验结果较为吻合.     

直接模拟蒙特卡罗方法研究循环流化床内颗粒聚团的流动

采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)模拟颗粒间的碰撞,用Lagrangian方法计算颗粒的运动.采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟(LES)研究气相湍流.数值模拟垂直管道内气固两相上升流动,对管内气相速度和颗粒相速度、浓度,以及聚团流动进行分析,得到气固两相上升流中颗粒流动的有关信息.