颗粒聚团结构对曳力特性影响的数值模拟

黏性颗粒多以聚团形式存在于气固两相系统中，流体施加于聚团的曳力对两相流动及传热传质起着至关重要的作用，而聚团的不规则、分形结构增加了曳力特性的复杂性。基于黏性离散单元方法生成不同分形结构的聚团，利用计算流体力学方法（CFD）直接求解分形聚团内部多孔结构的气流流动，得到了气体流过聚团时的周围与内部流场，研究了低Reynolds数（Re=0.1～10）条件下聚团结构特征对曳力的影响。结果表明：聚团的疏密程度显著影响聚团整体流场分布，多孔疏松结构增强了聚团的渗透性，使其与流体接触面积增加，所受曳力增加。分析不同结构聚团的曳力系数发现：除了聚团孔隙率、分形维数等结构参数的影响，气体流经聚团的方向也影响聚团曳力系数。在此基础上，综合考虑聚团分形维数、聚团与气流的夹角方向、Reynolds数拟合得到聚团曳力系数关联式。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2～4之间。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2~4之间。     

循环流化床提升管内聚团速度的研究

聚团是气固循环流化床(CFB)中最常见的现象,对气固之间的热量和质量传递有重要影响。为了考察循环流化床内不同运动方向聚团速度的特性,采用高速相机对提升管内气固流动进行摄像,并利用Matlab图像处理程序,分离出颗粒聚团区域并计算颗粒的运动速度。采用拉格朗日(Lagrange)法计算聚团速度,并根据聚团运动方向对上行和下行聚团的速度分别研究。研究结果表明:采用拉格朗日法能准确地计算聚团速度,上行聚团速度略大于下行聚团速度,聚团速度主要分布在[?3,3] m?s?1且随表观气速的增加而增加;边壁区域下行聚团数量远大于上行聚团数量,中心区域上行聚团数量略大于下行聚团,下行聚团数量占聚团总数的60%～70%。聚团速度沿轴向高度略有增加,在顶部受出口的影响略有减小。聚团横向移动在边壁区域较小,中心区域较大。     

FCC提升管反应器中颗粒聚团对裂化反应的影响

在对气固流动体系颗粒聚团实验现象分析的基础上,以减压馏分油裂化反应为例,对反应器中最常见的球形和椭球形聚团上的流动、传热和反应过程进行了模拟计算,得到了聚团内外油气和催化剂颗粒的速度分布、温度分布、浓度分布以及反应速率分布。研究结果表明,催化剂颗粒聚团的存在阻碍了油气与催化剂颗粒的充分接触,进而造成系统内速度和温度的不均匀分布,影响了裂化反应的发生,使得有颗粒聚团时的一次反应速率明显低于无聚团时的反应速率,颗粒聚团显著影响了油气在颗粒上的反应时间,最终导致气体和焦炭产率升高,对裂化反应产品收率分布十分不利。     

基于微分代数积分矩量法的聚并器超细颗粒聚团研究

研究聚并器内布朗聚团和湍流聚团引起超细颗粒聚团,特别考虑颗粒之间近程力（范德华引力、静电斥力）和颗粒与气体之间的流体力学作用力对颗粒聚团的影响。基于FLUENT软件UDF功能自定义聚团核,考虑颗粒之间近程力和流体力学作用力对聚并率的影响,引入碰撞效率α对聚团核进行修正,得到修正湍流聚并模型并将该模型与理想湍流聚并模型进行比较。应用群体平衡模型（population balance model,PBM）耦合CFD对颗粒聚团过程进行数值模拟,并采用微分代数积分矩量法（DAE-QMOM）求解群体平衡方程。结果表明：理想湍流聚并模型与实验结果误差为8.92%,而修正改进的湍流聚团模型与实验结果误差仅为3.35%,更加符合实际情况;微分代数积分矩量法具有较高的效率,而且误差较小,相比PD积分矩量法有明显的优势,稳定性也比较突出。     

基于微分代数积分矩量法的聚并器超细颗粒聚团研究

研究聚并器内布朗聚团和湍流聚团引起超细颗粒聚团,特别考虑颗粒之间近程力(范德华引力、静电斥力)和颗粒与气体之间的流体力学作用力对颗粒聚团的影响。基于FLUENT软件UDF功能自定义聚团核,考虑颗粒之间近程力和流体力学作用力对聚并率的影响,引入碰撞效率α对聚团核进行修正,得到修正湍流聚并模型并将该模型与理想湍流聚并模型进行比较。应用群体平衡模型(population balance model,PBM)耦合CFD对颗粒聚团过程进行数值模拟,并采用微分代数积分矩量法(DAE-QMOM)求解群体平衡方程。结果表明:理想湍流聚并模型与实验结果误差为8.92%,而修正改进的湍流聚团模型与实验结果误差仅为3.35%,更加符合实际情况;微分代数积分矩量法具有较高的效率,而且误差较小,相比PD积分矩量法有明显的优势,稳定性也比较突出。     

基于时变性聚团识别方法的高密度循环流化床内聚团分布特性

为研究高密度提升管内的聚团分布特性,在18 m高循环流化床提升管系统中测定了不同固体循环速率下(G_s=100～1800 kg·m^-2·s^-1)的瞬时颗粒浓度。采用基于时变性的聚团识别方法对聚团进行识别,进而得到了聚团浓度、聚团持续时间和聚团速度在提升管中的分布。研究结果表明,高密度循环流化床中的颗粒浓度和聚团特性参数和与低密度循环流化床相比存在较大差异。高密度条件下,提升管内聚团浓度最高可达0.41。聚团持续时间最高可达5.5 ms。提升管截面内的聚团净向上运动,r/R=0.949时,聚团的净运动速度高达1.83 m·s^-1。此外,在极高的颗粒循环速率下(G_s=1800 kg·m^-2·s^-1),聚团特性参数的轴径向分布变得更均匀。     

粘性SiC颗粒聚团流态化特性

对不同粒径的°SiC粘性颗粒的流态化实验表明,颗粒粒径对流化性能有较大影响,颗粒粒径越小,颗粒间粘附力越大,其流化性能越差;提出了粘性颗粒自然聚团数Ae_n和流态化聚团数Ae_f,用来表征颗粒的流化性能;指出了应开展粘性颗粒聚团流态化的研究。     

篦式冷却机中的气固流动

在研究了篦式冷却机床层气体流动特性后，根据气固两相流理论，采用压降阿基米得数和颗粒雷诺数Ｒｅ分析研究了气体通过熟料床层时各参数之间关系，并在此基础上研究温度对压降阿基米得数和颗粒雷诺数的影响。     

篦式冷却机中的气固流动

在研究了篦式冷却机床层气体流动特性后,根据气固两相流理论,采用压降阿基米得数和颗粒雷诺数Re分析研究了气体通过熟料床层时各参数之间关系,并在此基础上研究温度对压降阿基米得数和颗粒雷诺数的影响。     

灰熔聚气化炉内气体与固体混合特性的研究

气化炉内的气化剂与煤粉的混合特性直接影响着气化炉内的碳转化率和灰熔聚流化床气化炉的热效率。研究气化炉内气体和固体颗粒的混合特性,掌握炉内气体和固体颗粒的轴向和径向的运动规律,对认识床内传热和传质机理具有重要的意义。基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,应用商用FLUENT软件,对太原化学工业集团有限公司运行的灰熔聚流化床气化炉内的气体与固体的混合特性进行了数值模拟。     

气固固循环流化床密相床层压力脉动研究

在不同实验条件下研究了气固固循环流化床密相床层的压力脉动。压力脉动的情况表明：细颗粒的循环及循环量对粗颗粒的流体力学行为有很大影响。气速越低,影响程度越大。     

密相流化床中介尺度流动结构的流体力学特性研究

在一套流化床冷模实验装置中对黄沙颗粒和黄沙-硅微粉 （20 μm）混合颗粒进行实验。测量固含率时间序列信号并进行统计分析,提出并建立复杂光纤脉动信号的解耦方法,实现稠密气固流中介尺度流动结构的准确识别。基于统计矩一致性原理提出气泡阈值的计算方法,通过遍历法确定气泡阈值。对气泡阈值变化规律进行分析,发现加入细颗粒有助于改善流化质量,随表观气速的增加,气泡阈值减小。对气泡、乳化和聚团三相的相分率进行统计,发现在黄沙颗粒中加入少量（5%,质量分数）细颗粒能够显著改善流化质量,细颗粒添加量过多时（10%）,对流化质量的改善将减弱。对气泡的流体力学特性进行分析,发现加入10%硅微粉后,气泡弦长增大,频率降低,速度略有降低。对颗粒聚团流体力学特性进行分析,发现随硅微粉含量增加,表观气速对聚团速度的影响减弱,聚团弦长略有减小。加入5%硅微粉后,颗粒聚团的出现频率较小且径向上分布均一。加入10%硅微粉后,聚团频率有所增大,说明加入过多硅微粉会促进聚团的形成。     

纳米颗粒聚团流化特性的数值模拟

基于气固两相流体动力学和流态化理论,建立气体纳米颗粒气固两相双流体模型.模型中采用了Jung&Gidaspow[1]测量的固相应力模量,并应用了王垚,金涌,魏飞[2]提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒聚团的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

季铵盐作用下微细石英颗粒聚团沉降试验研究

为了掌握季铵盐类药剂对微细石英颗粒聚团沉降效果的影响,以季铵盐类药剂1231、1431、1631、1831作为聚团药剂开展了不同浓度药剂作用下微细石英颗粒聚团沉降试验,通过测定药剂作用后上清液透光率、沉降产率、石英颗粒表面Zeta电位、FTIR测试,考察了药剂浓度对微细石英颗粒聚团沉降行为的影响。结果表明:试验浓度范围内,1231在高浓度下(≥0.8 mmol/L)有利于石英的聚团沉降;1431在0.1~1.6 mmol/L对石英聚团沉降效果较好;1631、1831在低浓度(≤0.2 mmol/L)有利于石英的聚团沉降,在高浓度(≥0.4 mmol/L)不利于微细石英颗粒聚团沉降;季铵盐在石英颗粒表面发生了物理吸附。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。     

基于直接矩积分方法的超细颗粒流态化特性研究

采用欧拉-欧拉气固双流体模型,基于颗粒动理学理论,利用直接矩积分方法求解颗粒数平衡方程,建立颗粒数量与连续性方程、动量方程之间的关系,数值模拟流化床内不同初始粒径的超细颗粒运动、聚并的动态过程,给出了聚团在流动过程中浓度和速度的分布情况,展示了床内各阶矩的变化情况,比较了不同初始粒径对聚团浓度分布影响。研究表明,同一粒径颗粒,随着床层高度的增加,颗粒浓度达到平衡状态需要的时间减短;不同粒径颗粒,随着初始粒径的增加,颗粒浓度减小的速率随着床层高度上升加快,颗粒聚团尺寸达到稳定状态的时间减少,床内颗粒速度逐渐减小,聚团向床层底部聚集的速度增加,床层底部颗粒浓度和颗粒粒径逐渐增加。     

循环流化床下料管中气固流动模型的研究

本文在下料管（内径100mm）的循环流化床内研究了气固流动规律。通过测定颗粒速度、颗粒浓度以及气体速度，进一步描述了气固相对速度与颗粒浓度的变化关系，在对气固相互作用分析的基础上，得到了描述气固下行流动的R－Z方程。     

三维单旋导向挡板鼓泡流化床内气固流动的CPFD模拟

单旋导向挡板是一种广泛应用于流化床反应器中的横向内构件,研究其对鼓泡流化床内气固流动的影响具有重要意义。采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法耦合Igci曳力模型研究带有两层单旋导向挡板的鼓泡流化床内的三维气固流动,并与空筒鼓泡流化床作对比。首先将轴向和径向时均固含率分布的模拟结果和实验数据进行对比,验证了该计算方法的可靠性;随后考察了单旋导向挡板对鼓泡流化床内气泡平均当量直径沿床高的分布以及气体停留时间分布的影响,计算结果表明,单旋导向挡板对大气泡具有一定的破碎作用,在挡板影响区域内气泡平均当量直径变小。同时,有、无挡板流化床内的气体停留时间分布曲线与其数学特征基本一致,表明单旋导向挡板的存在对鼓泡流化床内的气体返混没有明显影响。