列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析

环形分布器是实现载热体在列管式固定床反应器壳程均匀流动的重要部件。采用计算流体力学方法对丙烯氧化反应器壳程熔盐在改进结构型式(即椭圆扩张型进口,进口处两侧分别设置呈45°的导流挡板,挡板上均匀分布小孔,不均匀的开孔方式)的环形分布器内的变质量流动进行了模拟研究,分析了环形分布器内的速度及静压分布规律,并与传统型式环形分布器进行对比,并考察了出口分布孔数目及进口熔盐流量对均布效果的影响。通过计算发现,改进结构的分布器均布特性优于传统结构;优选24个分布孔能够满足流体均布的要求,且分布孔达到36,流体均布情况基本稳定;减小进口熔盐流速,进口区域速度及静压波动较小,减小了进口能量损耗,有利于流体均布。     

环形分布器的流场分析

环形分布器是改善列管式固定床反应器壳程流体均布性能的重要构件。文中采用实验和数值模拟相结合的方法对环形分布器的流体流动特性进行了研究,分析了影响环形分布器流体均匀分配的基本因素,提出了3种改善环形分布器流场均布性能的手段,为优化环形分布器的结构参数和操作参数提供参考和帮助。     

环形分布器内变质量流动的CFD模拟研究

环形分布器是实现导热介质在列管式固定床反应器壳程均匀流动的关键部件,文中采用计算流体力学方法(CFD)对环形分布器内的变质量流动进行了模拟研究。首先计算了环形通道内的速度和静压力分布,在此基础上研究了穿孔阻力系数随开孔几何结构以及入口流体流速的变化规律。模拟结果表明:环形通道内存在较明显的速度梯度和压力梯度;随着流体不断分流,在流道内的流动速度不断减小,静压力逐渐增大。因此,需要沿流动方向将开孔直径逐渐减小,以增大穿孔阻力,从而实现流体的均布。对穿孔阻力系数变化规律的研究结果表明:穿孔阻力系数ξ与出口和主流道的流速比ui/u、厚径比δ/di和入口雷诺数Re0有关。在模拟范围内,ξ先随ui/u的增大而减小,到达一个临界值后,ξ不再随ui/u的增大而变化;δ/di对ξ影响不太明显;当Re0属于湍流范围时,ξ随Re0的变化不太明显,但是总体随Re0的增大而减小。     

环形分布器气体的流动及气流均布

采用激光多普勒技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场 ,发现整流环外侧环形通道内存在大量循环气流 ,并呈变质量流动状态 ;整流环内侧环形通道中 ,循环流动基本消失 ,但仍存在较大的脉动速度 ,靠近内环射流孔处气体均匀径向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对均布效果的影响 ,发现通过调整整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在本实验范围内 ,整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

一种新型膨胀床分布器的设计和优化

膨胀床分布器是影响膨胀床分离性能的重要因素。应用计算流体力学(CFD)软件对一种新型径向流分布器结构与床层主体流动进行了三维模拟计算,研究了膨胀床分布器的循环比、喷头开孔方式和分布盘的锥角对膨胀床层内流场均布的影响。结果表明:在0到2的范围内循环比的逐步增大可以改善床层底部流体流速的分布情况,过大的循环比不利于床层的稳定操作;标准8孔分布器的流体均布效果最好,孔径增大和开孔数加倍模型均不利于流体的径向均布;分布盘锥角越大,分布器的流体径向分布效果越好,综合考虑能量损失和均布效果,最佳分布盘锥角为10°。     

平行流列管式固定床反应器管外流体的模拟

运用计算流体力学软件FLUENT6.1对平行流列管式固定床反应器环形流道及管间流体的流动进行数值模拟。模拟结果表明,流体进入环形流道后流速急剧变化,要达到环形流道内侧壁沿圆周流量均匀分配,就必须在不同的位置开不同尺寸的孔,反应器进口挡板和分布板的设置使管间流体在进入反应器后径向分布基本均匀。建立冷模实验装置,测定流体在反应器管间不同高度同一截面上的压力分布,实验结果表明,反应器管间流体达到均匀分布。管闯流体压力的模拟值与实验值相比较,两者吻合良好。     

费托浆态床反应器多层气体分布器的CFD优化

气体分布器是费托合成浆态床反应器的主要内构件,影响反应器的流体力学状态和反应性能。根据已有的工程实际经验设计了多层结构的管式气体分布器,以充分利用底部封头的空间。在给定的5层气体分布器整体尺寸及基准设计条件下,采用计算流体力学方法 (CFD)对其进行模拟计算和结构优化。首先气体按三维稳态不可压缩流体处理,由于分布器喷嘴出口处于湍流状态,因此选用SST-kω单相湍流模型以匹配分布器存在曲率流动的工况;随后在流体的连续性方程和动量方程等控制方程基础上建模,采用计算流体力学软件STAR-CCM+求解方程组,并对多层气体分布器的三维流场进行数值模拟,发现基准设计条件下的分布器存在偏流和流量分布不均的问题;最后,以各层喷嘴的数量、直径和长度为设计变量,以气体分布均匀性为目标函数,在分布器喷嘴出口气体速度不高于75 m/s的限制条件下,采用SHERPA算法,对15个设计参数进行了120次迭代计算和优化,优化过程覆盖了各参数的取值范围。优化结果为每层喷嘴数量在9～15个、喷嘴半径在9～14 mm、喷嘴长度接近150 mm的上限,调节流体通过的压降,克服分布器各层最大的静压差,使气体在各层环形分布管之...     

双列叶片式气体分布器在双入口变换炉中应用模拟及改进

采用CFD软件建立变换炉三维数学模型对炉内流场可视化模拟,分析双列叶片式气体分布器对炉内流场均布的影响。结果表明安装气体分布器后,炉体侧壁进口及下部气体不均匀度降低明显。对侧壁进口高度和进料分流比的优化模拟得出:当进料比为7:5,侧壁入口高度为3.3m时,其压降最小,且出口速度最大。基于以上,提出对气体分布器下封盖开孔且加导流板的改进设计,分流侧壁进气,减弱双入口气流"碰撞",减少动量损失和能量耗散。     

吸收塔内环孔管分布器数值仿真及性能分析

为提高CO_2捕集系统中吸收塔脱碳能力,从气体均匀性和压降损失着手针对孔管分布器进行优化。通过Fluent 15.0对四进气口环孔管分布器进行模拟仿真,结果表明:四进口环孔管分布器使得进口烟气在吸收塔内的不均匀系数M在0.2～0.6之间,分布均匀性较未加分布器明显改善,且烟气在各孔出口速度基本接近,进而使得气体在相对高度截面上对称性良好;在近壁面上烟气速度接近于零,很大程度上避免了反应时对壁面腐蚀;随着烟气进口速度增大,整体均匀性上升,压降随之增高,通过孔管的动能损失增大。     

高效单旋式换热器入口分布器气液混合数值研究

在高效单旋式换热器中,当气液介质分别进入设备时,其入口分布器的合理设置意义重大,两相流混合均匀与否将直接影响换热管中流体的均匀分配及传热效率。根据工程实践中的操作工况,采用计算流体动力学(CFD)仿真技术对换热器一种入口分布器内的流体流动状况进行数值模拟,并在此基础上进行深入分析。结果表明,多孔筛板对于气相均布起到关键作用,但由于密度差异所引起的自然对流,出口截面处液相主要靠近外侧区域分布,中心管区域分布较少,气液混合有待进一步优化。此外,对复杂结构入口分布器的数值模拟,可为相关产品的结构优化提供一定的指导意义。     

基于临界分流理论的气液两相流均匀分配器

提出了一种新型气液两相流分配器,主要由旋流叶片、整流器、分流喷嘴以及分配腔室组成。通过采用“流型调整”与“临界分流”控制相分离。为研究不同分流比下的分配特征,设计了2喷嘴和4喷嘴两种分配结构。建立了气液两相流数值模型,模拟了气液两相流在分配器内流动特性。在气液两相流实验环道上进行了测试,气相折算速度范围为5.0～25.0 m·s^-1,液相折算速度范围为0.012～0.14 m·s^-1,实验中出现的流型包括波浪流、段塞流以及环状流。结果表明,在临界分流条件下,气液相分流系数主要取决于与侧支管相连通的分流喷嘴数目与总喷嘴数目的比值,不受流型、气液流速等参数波动的影响。对于2喷嘴分配器分流系数接近理论值0.5,对于4喷嘴气液分流系数约为0.25。     

流化床管式分布器内流场模拟和布气性能分析

以催化裂化装置（FCCU）再生器的管式气体分布器为研究对象,对流化床管式气体分布器的布气性能进行了分析。首先,对气体分布器分支管内的流场进行数值模拟,计算结果表明沿分支管内气体流动方向,压力逐渐增大,截面流量逐渐减少,沿程喷嘴流量逐渐增大;同时分支管上游入口还存在着明显的偏流现象,从而导致了上游喷嘴的出口流量小于设计流量,下游喷嘴的出口流量高于设计流量,造成流化床内非均匀布气。然后,依据分支管的变质量流动特点,将一般变质量流动的动量方程用于分析分支管内的流动过程,表明分支管的流动过程属于“动量交换控制模型”,具有始端静压低末端静压高的特点,固有压力分布不均匀的特征。这种不均匀的压力分布导致了喷嘴布气不均匀和磨损等系列问题。最后,结合流化床内的压力特点,综合分析气体分布器的分支管压降和喷嘴压降,明确了喷嘴出口流量与分支管压力分布的关系,喷嘴临界压降与设计压降的关系,结论表明分支管的结构改进可以优化和改善分布器的布气性能。     

Design Considerations for Plate and Frame Ultrafiltration Modules by Computational Fluid Dynamics Analysis

Pressure and flow maldistributions were studied in a full‐scale industrial plate and frame ultrafiltration module, operating in a Z flow pattern, for the recovery of used motor oils. Solutions were obtained using (1) a three‐dimensional solution of the Navier‐Stokes equation using computational fluid dynamics and (2) Bernoulli's equation and a momentum balance in one dimension. Fluid decelerations and accelerations generated pressure increases and decreases in the distributor and collector, respectively, biasing the flow distribution to the last channel. Several modifications to the original design were evaluated; the most effective was larger distributor and collector diameters, which greatly improved the uniformity of the flow distribution and transmembrane pressure, and reduced the overall pressure drop in a bank. A variable diameter distributor and collector module was designed using the 1‐D model. Flow distribution was significantly improved but also yielded an undesirable overall higher pressure drop and a pressure maldistribution in the bank. The maldistribution of the main inlet manifold to the distributors in the first bank was strongly dependent on the module design. The flow distribution across the width of a channel became uniform within a short distance, essentially eliminating the need to consider this design aspect any further. Flows at the bank outlets, and hence inlets of the following bank, showed uniform lateral distribution in all cases, suggesting that future modelling work can be limited to a fraction of the module width, based on symmetry, in order to gain computational efficiency.     

Effect of spoiler columns on heat transfer performance of aluminum nitride-based microchannel heat sink

Microchannel heat sinks (MCHSs) are among the most effective solutions for high-power heating elements; aluminium nitride (AlN) is widely used in various heat sinks owing to its high thermal conductivity. The study aims to investigate the effect of the spoiler column shape, number of rows, and position of the inlet/outlet on the temperature and pressure drop of AlN-based microchannel heat sink using a thermal fluid structure coupling simulation. The results showed that the circular spoiler column had the best dredging effect on the eddy current, which greatly improved the local Nusselt number and heat transfer efficiency. The maximum temperature of the heat sink with circular spoiler columns was 6.53 K lower than that without the spoiler column. The average flow velocity and heat transfer efficiency increased with an increase in the number of spoiler columns and the convective heat transfer area. However, the flow resistance and pressure drop between the inlet and outlet raised. When the inlet and outlet were arranged at the centreline, the flow velocity distribution in the heat sink is more uniform, and the maximum temperature was 160.78 K lower than that on the upper side. Heat transfer experiments were carried out by using three kinds of AlN-based microchannel heat sinks, which was machined by the pickling-assisted laser method. The heat transfer experiments showed that the error between simulation results and test data was less than 0.1%.     

Design Impact on Airflow Patterns in Fluidization Units

The airflow behavior in a fluidization unit was integrally studied by means of experimental work and computational fluid dynamics simulation. The computational domain included the gas inlet pipe, plenum, perforated plate, fluidization chamber, and air outlet pipe. Different scenarios were simulated to allow distinguishing the best way to represent perforated‐plate distributors and elucidate the impact of the grid design on the fluidization performance. The simulated pressure drop across the distributor and the plenum flow pattern were in concordance with the experimental data. It was found that the distance between the peripheral holes and walls has a great impact on the airflow downstream the distributor.     

旋流强化中空纤维膜组件结构优化及壳程流动研究

提出并优化了一种旋转流强化的膜组件水力学模型。Box-Behnken方法用于进口直径、进口长度、膜壳高度、进/出口端管长度、球突结构直径,进出口倾斜角度的多参数的实验设计,获得了响应变量最优的膜组件设计方案。通过雷诺应力RSM湍流模型与基于Euler-Lagrange算法的离散相DPM模型的耦合计算,模拟研究了三维模型内液固两相流的颗粒停留时间分布、流体力学特征。模拟结果显示,旋流强化的膜组件壳程的速度分布更加均匀,膜面剪切应力高;湍流耗散率、涡量分布不同于传统膜组件。实验结果证实,优化后的膜组件具有高产水量、低压力降,膜污染速率低的特点。     

空气滤清器过滤阻力多元关联式的研究

为减低空气滤清器过滤阻力,对空气滤清器流场特性进行的实验测试和模拟计算,旨在于为空气滤清器的优化设计提供相关的理论指导和依据。采用CFD模拟技术,结合实验测试的方法,建立了空气滤清器的CFD模拟的两维和三维模拟模型,计算机模拟计算结果与实验测试结果吻合,计算得出空气滤清器的过滤阻力与其各自影响因素的变化规律,通过数值模拟计算结果的回归分析,给出了空气滤清器总成过滤阻力与其显著影响因素的单因素关联式。利用大量的过滤压降与不同滤清器结构参数、过滤速度和过滤介质特性参数的模拟数据,回归得出总成过滤阻力与入口速度、滤芯褶数、进气管长、进气管径、出气管长、出气管径和滤纸厚度的无量纲的多元关联式。