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。     

新颖环形喷动床颗粒喷动特性实验研究

一种新颖的环形喷动床由内外两个不同内径、同心的垂立圆筒组成,在环形空间底部设置多个喷口,在喷口两侧布置倾斜的导流板.研究颗粒在这种喷动床内的流动特性,探讨喷口结构、颗粒种类以及床内载料量对环形喷动床颗粒喷动特性的影响.实验结果表明:颗粒在环形喷动床内分为三个明显不同的区域,即颗粒填充移动区、密相喷动流化区以及稀相夹带区.当颗粒出现分区喷动后,随床内载料量的增多,填充移动区的高度维持不变,始终等于导流板的高度,而密相喷动区的高度不断增加.风量和颗粒种类对床层最大喷动量、密相喷动高度以及床层压力分布规律有着十分重要的影响.采用不同的喷口结构时,在相同的载料量下,直向喷口的密相喷动区高度更大,而且床内各测点的平均压力大于采用斜向喷口时的相应测点压力.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于图像法喷动床内空隙率研究

利用图像二值化方法处理图片,并采用Matlab编程实现空隙率的测量,从微观层次分析空隙率对喷动流化床内流动状态的影响。研究了颗粒粒径、喷口数量和表观气速对空隙率分布的影响。结果表明,增大表观气速使床层底部的稀相区增大,床层膨胀高度增加,空隙率也随之增加。增大颗粒粒径会增大最小临界流化速率,所以在其达到流化状态后流化床内颗粒粒径增大,床内喷动区空隙率减小比较明显。在相同条件下,与单喷口相比双喷口在床层底部附近存在合并射流,同时颗粒能到达的高度显著增加,底部两侧停滞区面积减小。结合对空隙率的分析,提出一种新的表征流化床内流化状态的参数(流化指数),可以直观地表示流化床内颗粒的流化状态。     

喷动流化床流动特性数值模拟

为了捕捉喷动流化床中微观层次上的颗粒运动信息,建立了基于CFD的二维非稳态喷动流化床欧拉-欧拉两相流模型。分析了不同流化气速对喷动流化床气固流动特性的影响,即不同工况下的炉内压力降、颗粒浓度、床内空隙率分布、气体速度分布和固体颗粒速度分布。数值模拟研究结果表明:随流化气速的增大,压降和炉内平均空隙率逐渐增大,密相床层高度逐渐增加,沿着轴向方向的气体流量增大,喷动气的射流深度逐渐增加,同时射流半径也逐渐增加。     

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。     

三维喷动床内异径干湿颗粒混合特性数值模拟

基于计算流体力学-离散单元法,建立了三维喷动床内气固两相流数学模型,采用Fortran语言编制了并行数值模拟程序。对三维喷动床内两种不同直径的干颗粒及湿颗粒的混合特性进行了数值模拟,并从颗粒角度分析了双组分颗粒的运动机制。利用Lacey混合指数对床内整体以及特定区域的混合程度进行了定量分析,并研究了液桥体积、颗粒密度比以及表观气速对异径颗粒混合的影响。结果表明：在单孔射流喷动床内,干湿两种颗粒流动方式相似,湿颗粒无明显的聚团现象;液桥力对小直径的颗粒影响较大,使不同直径湿颗粒速度差减小;环隙区内颗粒的混合是影响整床颗粒混合的关键因素;液桥体积对颗粒混合的影响较大,对颗粒密度比以及表观气速的影响有限。     

Hydrodynamic simulations of gas–solid spouted bed with a draft tube

Flow behavior of particles in a two-dimensional spouted bed with a draft tube is studied using a continuous kinetic-friction stresses model. The kinetic stress of particles is predicted from kinetic theory of granular flow, while the friction stress is computed from a model proposed by Johnson et al. (1990). A stitching function is used to smooth from the rapid shearing viscous regime to the slow shearing plastic regime. The distributions of concentration and velocities of particles are predicted in the spouted bed with a draft tube. Simulated results compare with the vertical velocity of particles (Zhao et al., 2008) measured and in the spout bed with draft plates and solid circulation rate (Ishikura et al., 2003) measured in the spouted bed with a draft tube. The impact of the friction stress of particles on the spout, annulus, fountain and entrancement regions is analyzed in gas–solid spouted bed with a draft tube. Numerical results show that the gas flow rate through the annulus increases with the increase of the entrainment zone. The solids circulation rate decreases with the decrease of inlet gas velocity and the height of the entrainment zone. The effect of spouting gas velocity on distributions of concentration, velocity and particle circulation is discussed.     

Numerical Simulation of a Spouted Bed Using Computational Fluid Dynamics (CFD)

In this article, computational fluid dynamics (CFD) technology is used to model a spouted bed(SB). The multifluid Eulerian-Eulerian approach based on kinetic theory of granular flows and Gidaspow's drag model for the interaction between gas and particles are applied in the modeling. The effects of the SB properties—that is, cone angle, particle size, cylinder diameter, and static bed height of particles—on its dynamics performance are investigated. The simulated results—that is, flow pattern of particles, fountain height, voidage, and particle velocity of the spout zone—are presented. It is shown that periodic fluctuation of spouting appears in an SB with conical angle of 30° and inlet velocity at 16.6 m/s. When the SB cylinder diameter becomes 0.52 m, periodic fluctuation appears, too. The stable spouting of the SB with a 90° cone angle could be obtained at an inlet air velocity of 24.3 m/s. The fountain height of particles decreased with an increase in particle size and the static bed height of particles. It is kept at about 0.19 m when different SB cylinder diameters in the range of 0.36 to 0.48 m are used. In the spouting region, the voidage decreased with static particle height in bed, but the particle velocity increased. For a certain particle size, the voidage decreased with an increase in particle height, but the velocity of the particles increased. It was also found that the cylinder diameter did not affect the volume fraction of particles except for the cylinder diameter 0.52 m and the change in particle velocity was minimal in the spout zone. With the different static bed height of particles used, the voidage and particle velocity did not change much at the same level of spout zone.     

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.     

Effect of a Draft Tube on the Fluid Dynamics of a Spouted Bed: Experimental and CFD Studies

Knowledge about the gas and particle dynamics in spouted beds is important in the evaluation of particle circulation rates and the efficiency of gas-solid contacts. In this work, the mechanism of transition from a static bed to a spouted bed was numerically simulated using a Eulerian multiphase model. This model was applied to two distinct spouted bed geometries: a conventional device and a spouted bed with draft tube. The radial voidage and particle velocity profiles along the longitudinal position in the annular and spout regions were simulated for the geometries under study. The characteristic simulated curves were congruous with the experimental data.     

Effect of a Draft Tube on the Fluid Dynamics of a Spouted Bed: Experimental and CFD Studies

Knowledge about the gas and particle dynamics in spouted beds is important in the evaluation of particle circulation rates and the efficiency of gas-solid contacts. In this work, the mechanism of transition from a static bed to a spouted bed was numerically simulated using a Eulerian multiphase model. This model was applied to two distinct spouted bed geometries: a conventional device and a spouted bed with draft tube. The radial voidage and particle velocity profiles along the longitudinal position in the annular and spout regions were simulated for the geometries under study. The characteristic simulated curves were congruous with the experimental data.     

不同气速下喷动床喷泉区颗粒特性的模拟分析

以欧拉多项流模型为基础,对底角锥度为60°、床直径为0.44 m的喷动床内气固两相流的动力学特性进行了模拟研究,并对不同气速下喷泉高度、颗粒体积分数、颗粒速率的变化进行分析,结果发现喷泉高度与进口气速在u/ums=1.2～1.8范围内具有良好的线性关系,拟合度可达到0.9997。固体颗粒体积分数在轴心区域较高,随着径向距离的增加逐渐下降,且随高度的增加呈现先减小后增大的趋势;颗粒体积分数受速率的影响较大,随着喷动速率的增大,颗粒体积分数趋于减小,但减小幅度不同。颗粒速度在喷泉核心区随床层高度增大而减小。同一床层高度上的颗粒速度随气速的增加而增大,但增大值不同。     

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。