催化裂化提升管反应器模型的建立

工业催化裂化提升管反应器内既存在着气固两相的湍流流动,又存在着传热和裂化反应,而且这些过程是相互影响,高度耦合在一起的。本文全面系统地考虑湍流气因两相流动,传质,传热及反应等复杂因素及其相互影响,建立了催化裂化提升管反应器三维气固两相流动反应模型,形成了相应的数值解法,编制了大型的模拟计算程序。由此可对工业催化裂化提升管反应器内湍流气固两相流动进行系统的数值模拟研究。     

催化袭化反应产物沿提升管分布预测

运用建立的数学模型预测了不同工况条件下反应油气和催化剂颗粒温度沿提升管高度的分布和反应产物的浓度沿提升管高度的分布。模拟结果和工业实测的出口温度和浓度相一致,从而证明了该数学模型对催化裂化提升管的预测是成功的。     

气固并流向上流动中颗粒聚集的机理

Two-dimensional unsteady cocurrent upward gas-solid flows in the vertical channel are simulated and the mechanisms of particles accumulation are analyzed according to the simulation results. The gaseous turbulent flow is simulated using the large eddy simulation （LES） method and the solid phase is treated using the Lagrangian approach, and the motion of the gas and particles are coupled. The formation of clusters and the accumulation of particles near the wall in dense gas-solid flows are demonstrated even if the particle-particle collisions were ignored. It is found that a cluster grows up by capturing the particles in the dilute phase due to its lower vertical velocity. By this way the small size clusters can evolve to large-scale clusters. Due to the interaction of gas and particles, the large-scale vortices appear in the channel and the boundary layer separates from the wall, which results in very high particle concentration in the near wall region and a very large-scale cluster formed near the separation point.     

几何对称性处理对自由平面湍射流大涡模拟的影响

研究了几何对称性处理自由平面湍射流大涡模拟的影响，以Re数为113000的平面不可压缩湍射流流动为例，采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程，小尺度涡采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。初始条件采用平面射流无粘流动解，出流速度边界使用Sommerfeld辐射开边界条件处理，计算域的横向外边界使用自由裹入边界条件，对计算域的横向对称中心平面分别采用对称性条件和直接求解两种方法。模拟结果显示，采用对称性条件处理，会抑制自由平面湍射流中拟序结构的生长，阻碍大尺度涡从中心平面的穿透、长时间的统计平均不能给出合理的湍流低阶矩的时均结果。相反，对中心平面进行直接求解的做法能真实再现自由平面射流中涡的合并与破碎过程，得到合理的模拟结果。     

稠密气固流动中颗粒聚集现象的数值模拟

基于确定性轨道和真实碰撞，对二维稠密气固两相流动进行了数值模拟，真实展现了颗粒聚集现象从无到有的发展过程。在此基础上，对颗粒聚集现象影响因素的作用规律进行了研究。结果表明，颗粒间的相互碰撞是造成颗粒聚集的重要原因，即使在初始颗粒体积分数低至0.24％的情况下，仍然有显著的颗粒碰撞发生和聚集出现。颗粒弹性恢复系数越小、颗粒初始体积分数越大，则颗粒聚集现象越明显。这与已有的一些实验和数值计算结果是一致的。     

颗粒动力学与湍动能耦合的稠密两相流动数学模型

在气相湍流流动的κ-ε模型基础上，建立了颗粒动力学与湍动能耦合的稠密两相流动数学模型。颗粒相的有效粘性系数取决于颗粒之间相互碰撞而引起的层流粘性以及颗粒性以及颗粒微团的湍流脉动而形成的湍流粘性，其中颗粒的碰撞行为以及所形式的颗粒的层流特性用颗粒动力学模型来描述，颗粒的湍流特性采用颗粒湍动能输运方程模型来描述。利用所建立的模型对提升管内气固两相流动过程进行了数值模拟，可以合理地预报出提升管内气固两相的环核流动结构。