竖直窄通道充分发展段液固流动特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,基于水-玻璃珠体系,对长×宽×高尺寸为240 mm×12 mm×1800 mm的竖直窄通道充分发展段内液固两相流动特性进行了数值模拟。结果表明,沿窄通道竖直方向0.7 m以上液固两相流动进入充分发展阶段,在充分发展阶段的窄通道截面上,狭长方向与狭窄方向各位置颗粒速度及浓度均呈中心区域高、贴近边壁区域低的分布趋势;随着入口液速提高,截面各位置颗粒速度均提高,而颗粒浓度在流道中心区域降低,在贴近壁面区域升高;随着初始固相体积分数增加,截面各位置颗粒浓度均提高,而颗粒速度在流道中心区域略有降低,在贴近壁面区域略有升高;在窄通道截面狭长方向两端靠近三边壁影响的区域存在颗粒增浓效应,在截面狭窄方向颗粒速度和浓度分布梯度较大的区域无量纲占比随着入口液速的提高而提高,随着初始固相体积分数的提高而减小。     

水平窄矩形通道内液固两相的流动特性

液固两相输运研究主要集中于圆管,窄矩形通道内液固两相水平流动特性和固相扩散特性的研究鲜见报道。在12mm高的水平窄矩形通道内,采用实验研究和计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）数值模拟相结合的方法研究了玻璃珠-水液固两相流动,揭示了压力梯度特性、固相流动特性及其统计学特性、固相扩散特性变化规律。结果表明：在固相运动过程中,形成稀密两相共存的流动结构,密相在水平方向上被加速且向上运动;随着固相浓度增加,固相沿垂向的分布更加均匀,但固相速度非对称分布增强;固相垂向扩散强度随固相浓度增加而减弱。沿垂向将流道分为3个区域：近壁区、颗粒高频碰撞区和颗粒稀疏区。在近壁区,黏性底层-湍流层交界面与颗粒相互作用并将颗粒向流道中心挤压,导致沿流向的固相速度分量和固相体积分散波动较大;在颗粒高频碰撞区,在垂直方向上颗粒无序运动造成其垂向速度分量波动比近壁区和颗粒稀疏区的大;沿流向的固相速度分量和固相体积分数标准差值在整个颗粒高频碰撞区内保持在较小的变化范围,然后在颗粒稀疏区内迅速降低为零。     

方形气固密相床中局部颗粒浓度分布的实验研究

在368mm×368mm方形气固流化床中采用FCC颗粒研究了局部颗粒浓度分布的基本行为,实验测试了不同高度床层截面上的局部颗粒浓度分布。结果表明:局部颗粒浓度在床层中心最小,向外逐渐增加,边壁处颗粒浓度急剧增加到最大;表观气速(Ug)较低时,床层截面内不同方向上颗粒浓度分布的差异较大;随表观气速增大,床层截面内不同方向上的颗粒浓度分布规律趋于一致。局部流动结构的转变首先发生于床层中心,然后再向边壁逐渐扩展。颗粒浓度概率密度分布曲线(PDD)表明在湍动流态化下稳定的两相流动结构已被打破。     

狭窄矩形通道内液固两相磨蚀特性

液固两相磨蚀研究主要集中于圆管弯头和射流工况,板式换热器等狭窄矩形通道内液固两相磨蚀特性的研究鲜见报道。在Fluent软件及其二次开发框架内构建了描述稀疏颗粒液固两相磨蚀特性的CFD-DPM-磨蚀耦合数学模型框架,研究了存在圆柱体阻挡物的狭窄矩形通道内两相流动特性和壁面磨蚀特性,揭示了壁面和固体颗粒的相互作用机制。研究结果表明：阻挡物的存在显著改变了狭窄矩形通道壁面的磨蚀行为;磨蚀速率随液固流速和壁面粗糙度的增加而增加,因此,保证设备较低的入口流速和壁面粗糙度对延长设备寿命至关重要;磨蚀速率随颗粒粒径的增加先增加后降低,在60μm左右时达到极大值;球形度系数对磨蚀行为影响较小。引入量纲为1颗粒尺寸,阐述了液相边界层束缚颗粒运动的作用机制;与光滑壁面工况相比,颗粒以较大能量高频撞击粗糙壁面,导致了壁面磨蚀较快。液固两相以较低的角度和速度撞击壁面,壁面材料去除机理以微切削为主。     

新型液固循环床提升管颗粒速度径向分布的实验研究

新型液-固循环流化床与常规液-固循环流化床的区别在于提升管底部入口结构和顶部出口结构的不同.实验装置为φ80×8000 mm有机玻璃床,新结构可在较高表观液速和较高颗粒循环速率下操作.利用光纤速度测量仪测量床内颗粒速度径向分布,得到了颗粒速度径向分布规律.通过对实验结果分析发现,新型循环流化床颗粒速度径向分布与较高的表观液速和颗粒循环速率以及由此引发的较大的边壁效应密切相关.     

循环流化床气固流动行为的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,在Fluent数值模拟平台上对循环湍动流化床进行了研究。采用Gidaspow模型分段描述密相湍动和稀相循环输送区气固的相互作用,考察了反应器内压力、颗粒浓度等气固湍动特性参数的变化。CFD的模拟结果表明反应器中压力分布较为均匀;固体颗粒相和气体相间隙成絮状分布,在轴向中心区域颗粒浓度分布较为均匀;边壁区域颗粒浓度变化较大,存在强烈的气固相互作用。     

循环流化床气固流动行为的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,在Fluent数值模拟平台上对循环湍动流化床进行了研究。采用Gidaspow模型分段描述密相湍动和稀相循环输送区气固的相互作用,考察了反应器内压力、颗粒浓度等气固湍动特性参数的变化。计算流体力学(CFD)的模拟结果表明:反应器中压力分布较为均匀;固体颗粒相和气体相间隙成絮状分布,在轴向中心区域颗粒浓度分布较为均匀;边壁区域颗粒浓度变化较大,存在强烈的气固相互作用。     

双进气道旋风分离器内不同粒径颗粒流动特性

采用改进的RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型,对一种单入口双进气道旋风分离器内的气固多相紊流过程进行数值模拟。计算得到旋风分离器内不同粒径颗粒速度和浓度分布规律,结果表明:大粒径颗粒比小粒径颗粒轴向速度分布更平坦,切向速度峰值位置和外准自由涡区也越向壁面靠近;与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器内速度和不同粒径颗粒浓度分布轴对称性更好,大粒径颗粒切向速度峰值位置外移更明显,筒体段颗粒有更向壁面浓集的趋势,锥体段不同轴向位置处中心旋流区双进气道的颗粒浓度低于单进气道的。小粒径颗粒捕集能力增强,有助于提高分离器分离效率,减少不稳定流动导致结焦的颗粒源供给,从流动角度保证了抗结焦和长周期稳定操作。     

立式粉体干燥器中不同粒径湿颗粒流动特性研究

为了研究立式粉体干燥器内不同粒径聚甲醛颗粒流动特性，采用CFD-DEM模型耦合液桥力模块的方法，分析了含水率和颗粒粒径对聚甲醛颗粒流动特性的影响，并验证了该分析方法的正确性。研究结果表明：基于量纲分析法，结合已有实验数据拟合得出平均颗粒速度的经验关联式，计算值与实验值的最大误差为25.13%，可以较好地描述干燥单元内的平均颗粒速度变化。截面平均固含率随着颗粒直径的增大而降低，干燥单元内固含率在轴向和径向分布上分别呈现“上浓下稀”、“边壁高近流体低”的特点。当颗粒直径d_p<2 mm且含水率V_lb≥0.1%时，容易造成干燥单元入口堵塞，并且干燥单元内固含率剧减。截面平均颗粒速度随着轴向高度和颗粒直径的增大而增大，从边壁区到近流体区域的局部颗粒速度逐渐减小。当颗粒直径相同时，湿颗粒比干颗粒的颗粒速度小；当颗粒直径超过临界值2 mm时，随着含水率的增高，颗粒速度略微减小，颗粒平均停留时间和固含率总体上有所增加。     

预热器换热管内粉体物料轴向浓度分布的试验研究

采用光纤探头针对7个不同高度的预热器换热管截面做粉料轴向相对浓度分布测试.研究发现,沿换热管下料点断面向上,同一径向位置的颗粒浓度总是不断减小.换热管边壁区颗粒浓度沿轴向位置升高而减小远比中心区域迅速,当表观气速较小或物料负荷率较高时此现象尤为明显.随换热管截面高度的增高,气固两相流场发展逐步充分而趋于稳定,两者的相对运动速度逐渐变小.气流沿轴向的湍动逐步减弱,中心区和边壁区的颗粒浓度的差异逐渐缓和.改变操作条件对同一轴向断面边壁区颗粒浓度的影响较大,对中心区颗粒浓度的影响较小.增大系统的固气比,轴向不均匀性增大,物料下冲高度增大.     

大型快速流化床内颗粒浓度和速度分布的实验研究

采用压力巡检仪和光纤测量仪,对直径300 mm的快速流化床反应器内气固两相流动特性进行了研究,考察了操作条件对快速床轴、径向催化剂颗粒浓度、颗粒速度、筛分分布等的影响. 结果表明,当操作气速提高到2.0~2.6 m/s,相应的催化剂循环强度在60~160 kg/(m2×s),床层密度可保持在50~650 kg/m3;催化剂颗粒浓度在径向上呈中心低、边壁高的不均匀分布,轴向上各径向位置在颗粒加速区逐渐降低、在充分发展区趋于稳定、随表观气速增大或催化剂循环强度减小而减小,且径向均匀性变好,在r/R<0.7的中心区域趋于一致;颗粒速度在径向上呈中心高、边壁低的抛物线形分布,且随操作气速增大或催化剂循环强度增大而更加明显.     

入口结构对18 m气固循环流化床提升管内颗粒流动特性的影响

在高18 m、内径80 mm的循环流化床提升管内分别考察了三种入口结构对颗粒流动特性的影响。实验结果表明:入口结构主要影响提升管底部区域的颗粒流动特性,不同入口结构对颗粒流动影响不同。相同操作条件下,当采用多管式入口结构时,径向上提升管底部区域的颗粒浓度分布相对均匀,轴向上颗粒能够迅速达到充分发展状态,充分发展高度在9 m左右;当采用多孔板入口结构时,径向上提升管底部颗粒浓度差别较大,轴向上颗粒发展较慢,需要更高高度才能达到充分发展,充分发展高度约为11 m;当采用单管式入口结构时,径向上颗粒浓度分布和轴向上颗粒充分发展速度均处于前两者之间,底部颗粒浓度径向分布仍为中间稀、边壁浓的不均匀分布,颗粒浓度轴向充分发展高度约为10 m。     

入口结构对18 m气固循环流化床提升管内颗粒流动特性的影响

在高18 m、内径80 mm的循环流化床提升管内分别考察了三种入口结构对颗粒流动特性的影响。实验结果表明：入口结构主要影响提升管底部区域的颗粒流动特性,不同入口结构对颗粒流动影响不同。相同操作条件下,当采用多管式入口结构时,径向上提升管底部区域的颗粒浓度分布相对均匀,轴向上颗粒能够迅速达到充分发展状态,充分发展高度在9 m左右;当采用多孔板入口结构时,径向上提升管底部颗粒浓度差别较大,轴向上颗粒发展较慢,需要更高高度才能达到充分发展,充分发展高度约为11 m;当采用单管式入口结构时,径向上颗粒浓度分布和轴向上颗粒充分发展速度均处于前两者之间,底部颗粒浓度径向分布仍为中间稀、边壁浓的不均匀分布,颗粒浓度轴向充分发展高度约为10 m。     

耦合流化床提升管流动结构及边壁层厚度的研究

在射流流化床与提升管耦合的多段分级转化流化床冷态实验装置上,采用压力传感器和PV-6型颗粒速度测量仪,对提升管流动结构和边壁层厚度进行了系统研究。结果表明,一定的操作气速下,固体循环量增加使提升管中气固流动状态从稀相气力输送过渡到快速流态化区域。当提升管处于快速流态化区域时,一定固体循环量下,表观气速增加使提升管轴向各个位置的边壁层厚度减小;一定气速下,固体循环量增加使提升管各个截面的边壁层厚度增加,且低气速时提升管各个截面的边壁层厚度随固体循环量增加的程度明显高于高气速时。拟合得到了边壁层厚度与截面平均固体浓度的关系式,较好地预测了快速流态化区域内边壁层厚度随截面平均固体浓度的变化关系,该表达式的计算值和实验值吻合较好。     

固相颗粒在旋流场形成过程中的运动分析

通过CFD-DEM耦合计算方法模拟不同粒径颗粒在FX-50水力旋流器内的运动行为,分析旋流器内旋流分离场的形成过程,连续相的运动采用求解平均化的Navier-Stokes方程得到,离散相的运动通过离散元法计算。采用欧拉-拉格朗日方法,通过Freestream曳力模型传递相间数据,分析了流体的速度场、压力场,颗粒群的速度、受力、颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触作用力。结果表明,当循环流与入口流汇合时,颗粒速度损失较大;当旋流场稳定后,60μm粒径颗粒群在旋流器锥段的堆积最严重,分离速度较70μm、80μm颗粒低;颗粒平均速度的变化为先减小再增大,直到以后的稳定变化。旋流场未稳定时颗粒在竖直方向的运移速度大于旋流场稳定后竖直方向的运移速度,80μm颗粒竖直方向平均速度始终大于60μm和70μm。颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触过程中,颗粒的受力以法向方向为主,当颗粒与壁面接触时,所受合力最大;由于流动前期颗粒在旋流器内运动轨迹不稳定,颗粒随机碰撞明显,导致颗粒平均接触力波动较大,当旋流场达到稳定状态以后,数值改变很小。     

不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

基于计算流体力学(CFD)软件Fluent中的颗粒随机轨道模型(DPM),对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行数值模拟的比较,结果表明:单入口式固液分离旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°~210°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和190°,底流口附近壁面最大磨损在周向方向180°的底流口上方1~2mm位置;双入口式旋流器的壁面磨损呈对称分布,最大磨损在底流口位置,顶板壁面最大磨损在两个入口区域,顶板外层最大磨损位于方位角80°~110°和260°~290°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和300°;相同条件下,双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损;而对于底流口附近的壁面磨损,双入口式固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损略大。     

层叠流道中天然高分子挤压流动过程的数值模拟

为探究层叠流道中天然高分子材料挤压流动过程与混合特性，建立层叠流道的三维物理模型和有限元网格模型，利用POLYFLOW软件计算了食品熔体在不同的入口流量，挤压过程中的压力、速度、剪切速率分布。结果表明，压力沿着挤出方向呈梯度递减，随着入口流量增大中间位置压力差增大；剪切速率在流道中变化明显，剪切速率从流道中间位置向四周递减，从壁面到流道内部递减；速度在流道内沿着挤出方向先增大后减小，靠近壁面速度小；层叠扭转流道的结构和尺寸设计，有助于提高天然高分子物料的混合效果，并且第1、4层流道混合效果优于第2、3层流道，提高入口流量也有利于提高物料的混合效果。     

离散相入射位置对旋流器分离性能的影响研究

采用欧拉-拉格朗日方法(DPM)对液-液分离水力旋流器内部油滴运移轨迹及其分布规律进行了数值模拟分析,对油滴由旋流器入口截面不同位置进入旋流器的运移情况进行研究。得出在离散相油滴入口不同位置进入旋流器时其运移轨迹有所不同,且呈现出一定的规律性,结果表明:(1)油滴由入口处轴向上距上盖板2~2.5 mm区域进入时,易形成影响旋流器分离性能的短路流、盖下流、循环流等;(2)油滴由入口截面右下方区域径向0~0.5 mm轴向上0~7.6 mm区域内进入旋流器内时,其运移轨迹均由底流口逃逸。由此外的其它区域进入旋流器内的油滴粒子,较易被溢流口捕获;(3)可通过控制离散相油滴在旋流器入口处的入射区域,减少底流逃逸率从而提高旋流分离性能。     

倒置液固流化床内液固两相流动特性的数值模拟

基于欧拉-欧拉双流体模型,数值模拟倒置液固流化床内液固两相流动行为.数值模拟预测了床内颗粒的速度、浓度分布以及空隙率的变化.研究结果表明颗粒在床内分布呈现非均匀分布,床内形成局部高空隙率的流体团;随着床层高度增加,颗粒轴向速度增大:数值模拟床内空隙率与Renganthan等的实验结果相吻合.     

固液分离旋流器壁面磨损的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法, 应用Fluent软件中雷诺应力模型和离散相模型, 对重分散相颗粒分离旋流器壁面的磨损情况进行了模拟研究。结果表明, 旋流分离器壁面的磨损以局部磨损为主;在入口环形区域, 颗粒对壁面的主要磨损为冲击磨损;在圆筒体和圆锥体区域, 颗粒对壁面的主要磨损为磨削磨损;磨损最严重的部位在旋流分离器的底流口。入口环形空间磨损最严重的位置在圆周方向上100°~110°;圆柱筒体壁面的磨损成螺旋向下的带状分布;越接近锥体末端, 圆锥体壁面的磨损越严重, 在底流口处达到磨损峰值。旋流分离器内部颗粒浓度高的部位磨损严重;同时入口速度增加, 旋流分离器壁面各个部位的磨损率也会相应增大。这些结果为旋流分离器的设计及应用提供了一定的指导。