循环流化床下行管内气固两相流流体力学模型与数值模拟

从流体力学和湍流理论出发，将ｋ－ε模型运用到气固两相流动体系中，建立了气固两相湍流模型。模型计算得出的轴径向颗粒浓度及速度与实测值相吻合，为下行管的设计放大提供了理论依据。     

流化床中气固两相流数值模拟技术研究进展

从气固耦合方式、曳力模型、流动特性及反应特性等方面综述了数值模拟技术在气固流化床方向的应用进展以及发展趋势.     

外加电场下气固流化床的数值模拟

工业流化床中通常存在显著的静电效应,会影响流化床的流体力学特性,并常常带来一定的安全隐患,而引入外加电场可以达到"化害为利"的作用。为了获知外加电场下流化床内的流体力学特性,本文采用CFD耦合静电模型及解耦求解的方式,研究了外加电场下气固流化床内的轴向电势分布和颗粒的运动规律。研究结果表明,传统流化床的轴向电势分布呈Z形,与实验结果一致,引入直流电场后,颗粒自身产生的电场正电势区域明显增大,而负电势区域也有小幅增大。直流电场可以使得壁面处小颗粒的聚集减少,但在床中心出现明显的颗粒聚集。在交流电场下,小颗粒在壁面处的分布比正常流化床时的稀疏。通过对颗粒自身产生电场的分析,发现近分布板区和料位区的电场方向不同,近分布板区的电场指向床中心,而料位区的电场指向壁面。     

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。     

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。     

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。     

有机硅单体合成的气固流化床的三维数值模拟

为了探索有机硅单体合成气固流化床内硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用双欧拉气固两相流模型及SIMPLE算法,模拟了三维的气固流化床内硅粉颗粒的流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,及不同床层高度的固体颗粒运动速度矢量图,不同床层高度处横截面颗粒体积分数变化。结果表明:三维模拟能直观的表现颗粒在流化床中的流化状态,为工业生产及应用提供了有效的依据。     

A类颗粒流化床特性的DEM-CFD模拟

采用离散元方法-计算流体力学(DEM-CFD)对耦合边界下A类颗粒流化床特性进行模拟。讨论了在床底的表观速度取决于流场情况下,不同进口流速时该类颗粒的流化状态。分析了流动与颗粒运动的相互作用,及其对最小流化速度和最小气泡速度的影响。发现与均匀床底的表观速度相比,当床底的流动速度取决于流动与颗粒运动耦合时,床体的稳定性变差,床底的速度分布呈现不均匀,局部更早出现气泡,并沿着该位置的轴向向床顶面发展,形成沟流,而此时其它部位会产生死区。     

粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

基于气体分子动理学和颗粒动理学理论,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,建立粗糙颗粒动理学。采用Chapman-Enskog颗粒速度分布函数,提出了颗粒相应力、热通量和颗粒碰撞能量耗散计算模型。采用欧拉-欧拉气固双相流模型,数值模拟鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性。模拟结果得到了床内颗粒相速度和脉动速度分布,与Yuu等实验结果相吻合。分析不同的切向弹性恢复系数对颗粒相拟总温的变化规律,结果表明在低颗粒浓度时颗粒拟总温随切向弹性恢复系数而增加。     

埋管流化床内不同粒径颗粒传热行为的欧拉-拉格朗日模拟研究

将有限元方法、基于非结构化网格的计算流体力学方法与离散单元法结合,建立了CFD-DEM-FEM耦合方法,并在此基础上采用k-ε湍流模型及考虑颗粒间及气固间作用的多向耦合传热模型,对埋管流化床内的流动和传热行为进行了模拟和分析.通过计算结果从微观尺度探讨了埋管流化床内的传热机制,分析了影响床内传热的关键因素,得到了换热管道周围固含率和传热系数的分布规律,考察了颗粒直径对埋管周围传热系数的影响.数值模拟结果与实验数据基本一致,证实了CFD-DEM-FEM耦合方法模拟复杂气固流动和传热的可行性和准确性.     

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律. 数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述. 给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率. 数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.     

折流式旋转床气相流场数值模拟研究

采用CFD方法对折流式旋转床气液两相流动及压降进行数值模拟,建立了二维物理模型,研究了折流式旋转床转速、动静圈对数、进气量对气相压降和气相流场的影响,并用实验数据对模型进行验证. 结果表明,计算与实验相对误差在15%以内. 气相压降随进气量和动静圈对数增加而显著增大;转速增加,压降增大,但不明显,压降主要集中在转子内部,占总压降的88%~97%,其中转子压降的55%~73%由拐弯处的摩擦阻力引起;气体在静圈下隙存在回流,在动圈上隙气体流动缓慢,存在流动死区,气速主要以切向速度为主(占80%以上),峰值位于转子外缘,并与气体入口存在较大速度梯度,径向和轴向速度所占比例较小,且因位置不同而不同. 速度变化和压降的变化是转速、进气量和动静圈数等共同作用的结果.     

液固分选流化床三相流场模拟中各粘性流动模型的适用性

为确定适于液固分选流化床(LSFBS)流场模拟的粘性流动模型,分别选用多个粘性流动模型模拟了粗煤泥颗粒在LSFBS内的分选过程,结合相关粘性流动模型附加输运方程特点,讨论了LSFBS流场特定区域内湍流的各向异性和旋度、应变速率梯度分布等对Lam模型和涡粘模型准确度的影响. 结果表明,各模型模拟所得不同密度级组分在重产物中的分配率存在较大差异,其中雷诺应力模型(RSM)模拟结果误差最小,与实验结果的均方根误差为2.21,预测准确度较高;层流(Lam)模型模拟结果误差最大,均方根误差为5.96;涡粘模型中误差最小的为RNG k-e模型,均方根误差为2.46;各粘性流动模型模拟结果准确度为RSM>RNG k-e>SST k-w>标准k-e>标准k-w>S-A>Lam.     

径向移动床气固流动特性数值模拟

应用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对矩形与楔形结构径向移动床内气固两相流动规律进行数值模拟。考察了床型结构、料封高度等关键结构参数对径向移动床内气固两相流场分布的影响。通过优化移动床关键结构参数,改善径向移动床中出现的贴壁、空腔问题。结果表明,模拟结果与相应工况下的实验数据吻合较好,模型可以定性描述径向移动床内气固两相流动规律。楔形结构不但能够提高贴壁临界气速,减小贴壁区域厚度,缓解贴壁现象;而且能够有效减小窜气量,明显提高临界空腔气速,避免或者缓解空腔现象。料封高度是影响空腔现象形成的关键性因素之一,适当增加料封高度可以有效消除空腔现象,提高装置操作弹性和操作稳定性。     

采用改进的曳力模型模拟2D鼓泡流化床的流化特性

针对特定颗粒浓度范围颗粒团聚作用导致的曳力下降问题,基于传统曳力模型在不同颗粒浓度段的特性分析,选择适用于不同颗粒浓度区间的曳力模型,通过光滑函数得到改进的曳力模型,并耦合欧拉双流体模型对2D鼓泡流化床进行数值模拟. 结果表明,与Gidaspow和Syamlal-O'Brien模型相比,改进的曳力模型对床层局部压降的预测结果更好;随表观气速增加,改进的曳力模型能更准确地预测床层膨胀;当表观气速Ug=0.46 m/s时,改进的曳力模型对径向颗粒浓度分布的模拟结果明显好于Syamlal-O'Brien模型.     

快速流化床内气固两相流动态压力的实验研究

对快速流化床内轴向动态压力进行了测量,分别通过标准偏差、功率谱以及多尺度小波分析研究了流化床内的动态特性。研究结果表明:压力脉动的强度沿轴向由下至上逐渐衰减,且在循环速率较高时,底部压力脉动标准偏差与顶部之间存在着明显的转折;压力信号的主频随着颗粒质量流率的增加,其所对应的峰值(即脉动强度)有所增加,而主频的频率逐渐降低。通过压力脉动的小波多尺度分析表明:流化床内压力脉动中,小尺度信号主要体现在由于气体与颗粒的湍动、颗粒碰撞、颗粒团聚物的形成与破裂等高频部分的信号;中尺度信号主要捕获来自于不稳定进料所引起的较大的压力脉动;大尺度信号与床层的宏观稳定性相关。研究结果表明,通过对动态信号的微观分析可以深入认识气固两相流的瞬态参数特性以及气固间的相互作用机制。     

外加声场微小流化床中A类与C类颗粒流化的数值模拟

文章基于多相流欧拉模型,应用计算流体动力学（CFD）软件Fluent 6.3,在有无外加声场的情况下,分别对A类与C类颗粒在微小流化床（内径10mm,床高60 mm）中的颗粒分布进行了数值模拟,得到了一系列的固含率云图.模拟结果发现,在通入气体的初始阶段,C类颗粒流化出现了活塞流现象;加上声场后,上述现象消失.无声场时A类颗粒床层有较大气泡;引入声场后气泡变小.引入声场使得C类颗粒与A类颗粒有相似的固含率云图.     

多级循环流态化焙烧炉的两相流模拟

利用湍流模型和颗粒轨道模型对多级循环流态化焙烧装置预热段内部的流场、温度场和颗粒停留时间参数进行了数值模拟。结果表明:烟气流在旋风筒内呈现近壁流和中心流两个区域,近壁流区域的较高温度有利于菱铁矿粒物的预热升温;平齐式料管入口处存在的狭长涡旋迟滞颗粒流的下滑并可能诱发料管的堵塞,改进后的插入式料管则完全消除了上述缺陷和隐患;颗粒在高温区域的滞留时间约5s。     

液固流化床内床层塌落动态过程的数值模拟

在理论分析液固流化床内床层塌落过程的基础上,对水和玻璃球体系的床层动态塌落行为进行了多相流数值模拟,详细考察了液体速度突然减小后床层表面和分隔界面随时间的变化规律,模拟结果与经典模型预测值相吻合,表明多相流计算流体动力学模拟可以很好地预测液固流化床的床层动态塌落行为。