喷动床内气固二相流动行为的计算模拟

采用双流体模型结合颗粒动理学理论对喷动床内气固二相流体流动行为进行了计算模拟研究。模型中运用颗粒动理学理论描述颗粒相应力封闭流体控制方程,使用Gidaspow曳力模型描述气固相间作用。喷动床内颗粒在浓相区的体积分数很大,采用Schaeffer′s模型描述颗粒间的摩擦应力。模拟计算结果表明,喷动床内分喷射区、喷泉区、环隙区3个区域,在射流入口处形成一个瓶颈。模拟计算得到的颗粒速度和空隙度分布与实验数据进行比较,计算结果与实验结果吻合较好。     

摩擦-动力应力模型研究喷动床内气固两相流动过程

考虑颗粒滑动的半持续性接触应力和颗粒碰撞瞬时接触应力对颗粒相应力的贡献,建立了喷动床内气体颗粒两相流动计算模型。采用颗粒动理学和Johnson 等的摩擦应力模型,数值模拟喷动床颗粒流动过程,获得了喷动床喷射区、环隙区和喷泉区内颗粒流动特性。模拟计算与He等的实验结果进行了对比。同时分析了摩擦应力模型对颗粒相黏度变化的影响,表明中速颗粒流的颗粒相摩擦应力模型将直接影响喷动床气体颗粒两相流动的预测。     

三维整体式喷动-流化床结构优化与流动数值模拟

为了对环隙区内的颗粒堆积层产生局部流化作用,提出了一种在喷动床锥体处开一定数量侧喷嘴的整体式多喷嘴喷动-流化床结构,并采用双流体模型(TFM)对三维整体式多喷嘴喷动-流化床内的气固两相流动行为进行了数值模拟。通过计算流体力学(CFD)模拟获得了喷动床内颗粒体积分数、颗粒速度及流场均匀度分布情况,并将模拟结果与传统喷动床进行了对比,同时对锥体处开孔直径等关键参数进行了优化分析。结果表明:与常规喷动床相比,三维整体式多喷嘴喷动-流化床结构能有效增强喷动床环隙区与喷射区颗粒的径向混合,特别是流化了喷动床环隙区底部颗粒的流动死区。颗粒流场均匀度(CV)值随着床层高度的增加而上升,表明多喷嘴对颗粒流场的均匀化效应主要体现在喷动床柱锥区,当A_i/A_z=0.67时,侧喷嘴对喷动-流化床内整体的颗粒流化作用达到最佳。     

喷动床内气固两相流动纵向涡流效应数值模拟

为了深入了解纵向涡流对喷动床内气固两相流动特性的影响规律,采用计算流体力学方法对喷动床内气固两相流动的纵向涡流效应进行三维数值模拟。采用RUC曳力系数模型描述气、固相间作用力,通过欧拉-欧拉双流体模型和颗粒动力学理论对气固两相流动进行模型处理。分别对无扰流件、加入一对小球扰流件及加入一对纵向涡流发生器喷动床结构进行了模拟分析及对比。研究表明:加入球体扰流件及纵向涡流发生器之后,喷泉区的喷动高度明显下降,并在球形扰流件及纵向涡流发生器附近产生了二次漩涡。纵向涡流的存在显著地增加了喷动床内环隙区颗粒相的径向速度,增加了喷射区及喷泉区内颗粒体积分数及其密集度,有效增强了喷动床内气体、颗粒沿径向与轴向的湍动能及拟温度值,进而强化了环隙区与喷射区内颗粒、流体两相的横向混合效果及颗粒间的动量交换过程。     

整体式多喷嘴喷动-流化床内气固两相流动规律数值模拟

采用双流体模型(TFM)对一种新型整体式多喷嘴喷动-流化床内气固两相流动进行了数值模拟,在喷动床锥体两侧开若干侧喷嘴形成辅助多喷嘴结构,使其在喷动床锥体处产生喷动-流化效果,从而对环隙区锥体边界处堆积颗粒层产生扰流作用。通过CFD数值模拟获得了喷动床内颗粒速度及浓度的分布情况,并与单喷嘴喷动床模拟结果进行对比。研究并优化分析了不同侧喷嘴数量以及侧喷嘴宽度等关键参数对喷动床气固两相流动的影响规律。研究表明,与常规喷动床相比,整体式多喷嘴喷动-流化床结构能有效增强喷动床内环隙区颗粒相运动,特别是强化了喷动床环隙区底部流动死区的颗粒运动,使得锥体边界层颗的粒体积分数显著下降,颗粒体积分数沿径向分布变得更为均匀,同时省略了旁路供气辅助设备。     

导向管直径对喷动床流动特性影响的计算颗粒流体力学数值模拟

导向管喷动床是较为常见的一种喷动床改进床型,通过阻断喷动区与环隙区气固接触来提高颗粒循环的规律性与稳定性。本文采用计算颗粒流体力学（CPFD）方法对于直径150mm的柱锥式导向管喷动床进行了数值模拟研究,考察了导向管直径对于喷动床内颗粒流动特性的影响,从环隙区死区分布、颗粒速度分布、固体循环量等方面分析了具有不同直径导向管喷动床的运行状态。结果表明,加入导向管在减少床内死区的同时也降低了运行时的固体循环量,对于本次采用的喷动床结构尺寸与运行参数,只有在导向管直径为40～60mm时才能保证床内具有良好喷动状态,综合考虑各因素,选用直径50～55mm的导向管最为合适。对于具有类似结构与运行条件的柱锥喷动床,导向管直径可考虑选为无导向管运行时喷动区直径的1.2～1.375倍。     

带纵向涡发生器喷动床内颗粒流动特性PIV实验

针对喷动床内环隙区颗粒缺少横/径向运动的特点,通过实验将纵向涡流发生器及纵向涡流效应引入喷动床。采用粒子图像测速技术研究了在内径为152 mm的喷动床内纵向涡流及颗粒设计参数对喷动床内喷射区及环隙区颗粒相径向速度的影响,研究结果表明,纵向涡发生器在扰流元件上方横截面内颗粒相运动出现大量二次涡流,相比较于无纵向涡流扰流件情况,喷动床内的颗粒径向速度得到了显著增加,表明纵向涡发生器能够增强颗粒相在喷射区及环隙区的径向运动能力。在喷动床稳定喷动范围内,颗粒直径及颗粒密度越小,纵向涡流对颗粒相径向运动的强化效果越佳。     

带纵向涡发生器喷动床内颗粒流动特性PIV实验

针对喷动床内环隙区颗粒缺少横/径向运动的特点,通过实验将纵向涡流发生器及纵向涡流效应引入喷动床。采用粒子图像测速技术研究了在内径为152 mm的喷动床内纵向涡流及颗粒设计参数对喷动床内喷射区及环隙区颗粒相径向速度的影响,研究结果表明,纵向涡发生器在扰流元件上方横截面内颗粒相运动出现大量二次涡流,相比较于无纵向涡流扰流件情况,喷动床内的颗粒径向速度得到了显著增加,表明纵向涡发生器能够增强颗粒相在喷射区及环隙区的径向运动能力。在喷动床稳定喷动范围内,颗粒直径及颗粒密度越小,纵向涡流对颗粒相径向运动的强化效果越佳。     

喷动床反应器气固流动模型的研究进展

首先对喷动床流动特征参数关联式进行了扼要介绍,继而着重总结了近年来喷动床内气固流动模型(喷射区气固稀相流模式、环隙区气体渗流模式以及固体颗粒流模式)、以及喷动床放大规律等基础理论研究的进展。最后,提出了未来喷动床流动模型工作的突破点和相应思路。     

导向管喷动床内单相流场及声波对流场影响的数值模拟

为阐明超细粉在声场导向管喷动流化床内的流化机理,并为进一步优化和完善床层结构及操作条件提供基础,采用标准k-ε湍流模型计算了导向管喷动流化床内的单相气体流场,考察了进口流化气速和射流气速对气体流动规律的影响,以及声场对导向管喷动流化床内气体轴向速度分布及其脉动均方根的影响。结果表明:在高速射流条件下,导向管喷动流化床内气体呈内循环流动,气体循环流量随流化气速度的增加而减小,但随射流气速度的增加而增加;外加声场使环隙区和喷泉区的气体流动更加均匀,显著增加环隙区和喷泉区气流的湍动程度,且湍动程度随声压级的增大而显著增大,随声波频率的升高而小幅度降低。     

纵向涡发生器设计参数对喷动床内颗粒两相流动影响实验研究

将球体纵向涡流发生器引入喷动床内,采用粒子图像测速技术研究了在内径152 mm的喷动床内颗粒密度及纵向涡流发生器排数(单排、双排及三排)对喷动床内喷射区及环隙区颗粒相径向速度的影响。结果表明:在喷动床稳定喷动范围内,颗粒密度越小纵向涡流对颗粒相径向运动的强化效果越佳。纵向涡发生器对喷动床内颗粒运动强化存在空间分布的不均匀性,在喷动床有限的空间范围内,存在最佳的静床层高度使得纵向涡流发生器对颗粒径向运动的强化效果达到最佳。整体而言,单排及双排纵向涡流发生器对喷动床内颗粒径向速度的强化效果最佳,随着静床层高度的增加,多排纵向涡流发生器对喷射区颗粒径向速度影响逐渐减小,而对环隙区颗粒径向速度的影响逐渐增大。     

二维导流管喷动床离散颗粒动力学模拟

采用离散单元法(DEM)-计算流体力学(CFD)双向耦合数值方法对二维导流管喷动床进行了模拟,颗粒的运动通过DEM模型描述,而气体的运动用Navier-Stokes方程进行求解,气体和固体颗粒之间的相互作用通过曳力形式传递。文中将DEM和边界元方法(BEM)结合起来解决颗粒在具有复杂边界设备内的运动。通过采用BEM+DEM-CFD相结合的方法进行模拟计算,得到了喷动床的最小喷动速度,研究了不同表观气速下床内的流型,得到了二维导流管喷动床的床层压降与表观气速的关系,统计分析了喷射区、环隙区内颗粒的运动速度和相应的空隙率,全面地描述了二维导流管喷动床内的气固流动特征。     

喷动床内气固两相流动进口旋流效应数值模拟

为了研究喷嘴进口气体旋流效应对喷动床内气固两相流动特性的影响规律,采用数值模拟方法进行研究分析。通过欧拉-欧拉双流体模型和颗粒动力学理论对气固两相流动进行模型处理,分别对常规喷动床及带旋流器喷嘴喷动床进行模拟分析与对比。研究表明:喷嘴进口气体旋流效应显著地强化了喷动床内颗粒的径向运动,能有效消除柱锥区的颗粒堆积现象,扩大了低床层区气体喷射区的影响范围,增加了喷动床内气体的湍动能值,从而提高喷动床内颗粒处理的整体效率。存在最佳η(旋流器内径与外径比值)值,即η为0.526时,旋流气体对喷动床环隙区内颗粒堆积的消除作用及气体湍动能值的提升最为显著,同时旋流器喷动床的总体压降达到了峰值。     

纵向涡流发生器喷动床颗粒流动特性研究

探究纵向涡流对喷动床内喷射区及环隙区颗粒相径向速度的影响。采用粒子图像测速技术对内径D=152mm的喷动床进行实验研究,分析对比了不同扰流元件外形,尺寸及安装间距等重要参数对喷动床内颗粒运动的影响。研究结果表明:加入纵向涡发生器后,在扰流元件上方横截面内颗粒相运动出现了大量二次涡流,并且纵向涡发生器增强颗粒相在喷射区及环隙区的径向运动能力。在相同直径尺寸下,球体扰流元件较圆柱体扰流件对喷动床内颗粒径向运动的强化效果更好。存在一个最佳的扰流元件直径及布置间距使得纵向涡流对颗粒径向运动的强化效果达到最佳。     

喷动床内气固两相流体动力行为的数值模拟

引　言喷动床被广泛应用于不同工业领域中 ,如石油裂解反应 -再生器、煤和农业废弃物气化和燃烧 ,喷动床还被应用于粮食和药品的干燥等[1] .因此 ,喷动床设计应满足不同应用的要求 .喷动床内气相反应物的反应时间和停留时间依赖于床体几何结构和运行参数 .尽管已有许多的实验对喷动床内气固两相流动进行了研究 ,得到了喷射区、环形区和喷泉区内的气固两相流动流体动力特性 ,然而由于喷动床内气固两相流动的复杂性 ,人们对床体几何结构和运行参数对喷动床动力学的影响至今并不清楚 .因此 ,床体几何结构和运行参数等对喷动床动力学的影响成为…     

对导向管喷动流化床床体流动周期性波动的数值模拟

以水和玻璃颗粒体系为研究对象,以液-固两相流理论为基础,采用欧拉-欧拉模型对导向管喷动流化床环隙处于近似活塞流时床体流动周期性波动进行数值模拟。动量与质量守恒方程通过有限体积法分别计算。通过曳力,湍流颗粒波动时的能量耗散进行耦合,包括颗粒与颗粒之间的磨擦作用。模拟结果与实验观察相吻合,颗粒质量流率波动频率为3.5Hz。分析了由环隙卷吸进导向管的水的变化和环隙区与导向管中心处的压降比的变化对床体流动周期性波动的影响。     

液固提升管-流化床组合反应器中流化床径向固含率分布的实验研究

在一套新型液固提升管-流化床组合反应器中,以水-玻璃珠为液-固体系,对f500 mm′4000 mm的液固流化床反应器内不同高度颗粒固含率的径向分布进行了实验,考察了表观液速和颗粒循环速率操作条件对颗粒固含率径向分布的影响. 实验表明,液固流化床内流动区域在轴向上可以划分为分布器影响区、过渡区和均匀流化区,径向上可以划分为中心区和环隙区. 这种分布特征主要取决于分布器的结构、尺寸及其流化介质. 本工作还对液固流化床与气固喷动床的三区流动结构进行了比较.     

液固导向管喷动流化床中颗粒流动特性的数值模拟

为获得优化床层结构及操作条件,采用双流体模型对导向管喷动流化床进行了数值模拟。研究考察了进口喷动液流速和流化液流速对颗粒流动规律的影响,结果表明:喷动液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较小,只能使颗粒在环隙区与导向管内的循环加快;流化液流速对颗粒的浓度分布及速度分布影响较大,随着流化液速度的增大,颗粒在环隙区分布更均匀,浓度降低,颗粒更容易被卷吸进入导向管内,颗粒循环速度加快。     

矩形导流管喷动床下行区的床层压降

带导流管的矩形喷动床是传统喷动床的改进型式,矩形床内设置的与床同厚的垂直导流管,可以控制固体颗粒的内循环速率,同时使下行区中的气固移动床维持平推流.本文实验测定了不同表观气速、床层重量、不同固体颗粒与气体入口形式与尺寸时,矩形导流管喷动床下行区的床层压降,以考察其流动特征.实验结果表明,下行区存在床层压降的轴向分布,气固流动处于负压差下移上流区,且气固滑移速度自下而上是逐渐下降的.下行区颗粒床层的压降以及颗粒的移动下输,受到喷动床表观气速、床高、喷嘴尺寸、物料种类和颗粒直径的不同影响.     

基于动态双重网格下喷动床滞止区流动特性CFD-DEM数值模拟

基于Fortran语言自行开发了基于动态双重网格方法下的喷动床内气固两相流动的CFD-DEM方法,同时开展了喷动床内径向混合实验与模拟研究,又结合单网格方法对喷动床内0~2.0 s内的滞止区特性进行对比分析,验证了动态双网格方法计算结果的准确性。然后利用动态双网格方法对不同进口气速下和不同初始堆积高度下的喷动床进行数值模拟研究,对滞止区颗粒流动过程进行追踪,结果表明：径向混合实验结果与数值模拟结果有很好一致性;在喷动床内存在一定的滞止区,滞止区内的颗粒流动性较差;初始堆积高度不变,随着进口速度的增加,滞止区高度下降速率和向喷口延伸速度无明显变化;进口速度不变,随着初始堆积高度的增加,滞止区颗粒下降速度随之增加,但其向喷口延伸速度逐渐变慢。