气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟

为了探索气固流化床内宽筛分硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用Eulerian气固多相流模型及SIMPLE算法,模拟了二维气固流化床内不同粒级硅粉颗粒在不同操作件下的气固流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,研究了床内气固两相的流动特性.结果表明:模拟计算值与实验值吻合较好,最大相对误差为10...     

气固流化床中细长颗粒数量浓度分布的数值研究

细长颗粒的循环流化在工业生产中具有非常广泛的应用背景,如生物质秸秆在循环流化床中的燃烧、烟丝在循环流化床中的干燥或加湿等。由于细长颗粒具有六自由度,因此,其运动姿态比球形颗粒复杂,其在流化床内的流化特性也不同于球形颗粒。细长颗粒的数量浓度分布是细长颗粒流化特性的重要特征之一。根据直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法的基本思想及刚体动力学原理,建立了考虑细长颗粒间相互碰撞的三维细长颗粒流化运动数学模型,并采用此模型对某一实际流化床内的气固两相流场进行了模拟研究。在实验提升管内,所有物料中小长径比的细长颗粒最先由提升管的近壁处到达提升管出口。细长颗粒在流化过程中有明显的迁移和絮团现象。在流化状态下,细长颗粒的数量浓度分布基本不随入口风速发生变化。     

D120mm流化床冷模实验研究

介绍了D120mm流化床冷模实验,主要研究了分布器压降与气速关系、床层高度与气速的关系、使用颗粒浓度测量仪的取值与实际取值及理论计算的比较以及孔隙率径向分布等实验研究。采集了大量各级别的硅粉流化数据,确定床型、分布器以及指型管对流化质量的影响,为硅粉粒度的选择提供了冷模实验依据。同时拟合了硅粉堆积密度、临界流化速度曲线,确立了利用标准差判断流化质量的方法;针对床型、分布器型式、内构件的研究为流化床放大提供大量数据和理论保证。     

窄筛分颗粒气固流态化特性数值模拟研究

为更好地指导工业生产,了解不同粒径颗粒在气固流化床中的状态以及流化床中颗粒分布情况,针对气固流化床中窄筛分颗粒流态化特性进行数值模拟研究。通过流场模拟软件分析在相同流化床中不同粒径段的颗粒(46～80、106～113、185～221μm)和不同流化床进气速度条件下所能达到的体积分数和流化床层高度以及达到这一指标所需时间,并采用欧拉-欧拉模型和SIMPLE算法计算不同气速条件下的颗粒体积分数、速度分布。结果表明,在相同气速条件下,颗粒粒径增大,导致流化床内颗粒体积分数最高点与最低点的差距变大,颗粒分布不均匀性增加,同时床层整体高度下降,床层内颗粒密度上升,颗粒体积分数下降,流化效果降低;相同颗粒粒径情况下,增加气速可降低流化床内部颗粒的体积分数,增加气体与固体颗粒的接触面积,增强流化效果,但减少了流化床内部颗粒速度矢量分布达到均匀的时间,颗粒分布不均匀性更加明显。     

气-固微型流化床压降特性及最小流化速度的实验研究

在内径3~20 mm的4个气?固微型流化床中,分别考察了A类和B类两种类型颗粒的流化特性,同时研究了床几何结构、操作条件、物相性质等各因素对其最小流化速度的影响。结果表明,气?固微型流化床中的床层压降特性与颗粒类型密切相关,不同的流动状态下两种类型颗粒的流动特性存在显著地差异。在固定床阶段,与B类颗粒相比,A类颗粒与壁面间的相互作用更强,导致实验压降值偏离计算值更大;在流化床阶段,较大颗粒粒径和密度的B类颗粒在床层内表现出了更高的气泡聚并和破裂程度,加剧了颗粒间的碰撞,增加了能量损失,从而形成了较高的实验压降。气?固微型流化床的最小流化速度除了与操作条件和物相性质有关外,床内径与静态床层高度对其也会产生显著影响。随着床径减小及静态床高增加,最小流化速度逐渐增加。综合考察各影响的因素,提出了适用于实验考察范围内预测微型流化床最小流化速度的经验关联式。     

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。     

大颗粒流态化特性的实验研究

通过对大颗粒流化曲线及床层高度的测试对大颗粒流化床的流化过程进行了研究。结果显示,大颗粒的流态化过程是一个渐进的过程,整个流化过程可以分为:床层高度恒定、颗粒位置调整、表面颗粒运动、节涌波动和完全流化5个阶段。由于颗粒自身特性的影响,导致大颗粒流化过程中的各个特征速度(如起始鼓泡流化速度和完全流化速度)产生了有别于小颗粒流化床的特性。     

床形结构对气固流化床流化质量和气体返混特性的影响

用实验方法比较了一个二维床和一个大型三维床内FCC颗粒流化床在鼓泡域和湍动域内的流化质量和气体返混特性。实验结果表明,床形对A类颗粒气固流化床具有非常大的影响。二维床和三维床的流动和气固混合行为既具有相似性,如床膨胀随气速的变化趋势;也具有很大的差异性,既包括三维床流化质量差、轴向气体扩散系数大等量上的不同,又包括压力脉动、轴向气体扩散系数的变化趋势以及湾流模式等质上的不同。总之,在本研究中,二维床体现的是一种具有强烈壁效应的小型流化床的特征,而三维床则体现的是静床高度具有很大影响的大型流化床的特征。     

用压差变化阈值确定外循环流化床的起始外循环流化速度

起始外循环流化速度是影响气液固外循环流化床正常操作的重要参数之一。提出了以流化床内压差随表观液速的变化阈值来确定流化床起始外循环流化速度的方法。通过实验研究,考察了颗粒直径、颗粒体积分率和表观气速等操作参数,对强制循环条件下流化床起始外循环流化速度的影响。结果表明,液固流化床起始外循环流化速度远大于单个颗粒终端速度,与颗粒体积分率、颗粒平均直径成正比;强制循环时,颗粒体积分率较小的情况下,加入气体后的起始外循环流化速度比液固两相起始外循环流化速度要大,颗粒体积分率较大时,几乎与液固两相相同。     

宽筛分颗粒流化特性实验研究

通过实验,比较系统地研究了气固流化床内,不同筛分组合的颗粒在流化状态时的气泡特征、轴向固含量和颗粒粒径分布、床层空隙率等特征。实验结果显示:宽筛分物系中的细颗粒,一方面可提高气泡聚并破碎频率,从而抑制大气泡的产生;另一方面可使颗粒整体流化高度增加,提高轴向固含量分布的均匀性及流化状态的稳定性。实验结果也表明,在表观气速一定的条件下,若逐渐增大颗粒粒径,则流化床空隙率逐步减小,细颗粒可有效地提高床层空隙率。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。     

快速流化床中平均滑落速度及絮状物的特性

本文依据大量实验数据,研究快速流化床的操作条件,气固物性等参数对于床内颗粒平均滑落速度的影响。颗粒聚集为絮状物是快速流化床中气固流动的一个重要特征,文中对等效絮状物的基本特征进行了讨论,根据大量实验数据对絮状物的终端速度、絮状物当量直径,以及絮状物中的粒子个数作了推算,这对认识快速流化床气固接触机理及反应器的设计具有参考价值。     

Numerical simulation of horizontal jet penetration in a three-dimensional fluidized bed

The introduction of reactant gas as a jet into a fluidized bed chemical reactor is often encountered in various industrial applications. Understanding the hydrodynamics of the gas and solid flow resulting from the gas jet can have considerable significance in improving the reactor design and process optimization. In this work, a three-dimensional numerical simulation of a single horizontal gas jet into a cylindrical gas-solid fluidized bed of laboratory scale is conducted. A scaled drag model is proposed and implemented into the simulation of a fluidized bed of FCC particles. The gas and particles flow in the fluidized bed is investigated by analyzing the transient simulation results. The jet penetration lengths of different jet velocities have been obtained and compared with published experimental data as well as with predictions of empirical correlations. The predictions by several empirical correlations are discussed. A good agreement between the numerical simulation and experimental results has been achieved.     

粗糙颗粒碰撞参数对鼓泡流化床内气固流动模拟的影响

结合粗糙颗粒动力学理论和双流体方法,数值模拟了碰撞参数对鼓泡流化床内稠密气固两相流动特性的影响. 结果表明,增大摩擦系数或减小法向弹性恢复系数会使床内颗粒分布更为不均,并增强床层膨胀及压力降脉动. 合理选取摩擦系数模拟得到时均气固流场分布,与实验吻合,罂粟籽颗粒的摩擦系数取0.3~0.6较合适. 法向弹性恢复系数改变不影响时均气固流场分布的基本形态,其取值敏感性不如摩擦系数;切向弹性恢复系数对鼓泡流化床动态特性及时均气固流场的影响相对较弱.     

人工鱼群算法在气固流化床流型识别中的应用

准确识别流型是流化床气固二相流参数检测的一项重要内容,实验是在流化床气固二相流实验系统上进行的。首先,采集5种典型流型的压力波动信号,并以信号的统计参量作为流型特征。然后,将样本送入经过人工鱼群优化的BP神经网络进行训练。人工鱼群(AFSA)是一种新型的智能优化算法,具有全局收敛性好,鲁棒性强,对初值不敏感等特点,通过优化神经网络的权值使识别率得到明显提高,实现了气固流化床典型流型的快速、准确识别。实验结果表明,该方法对气固流化床5种典型流型的识别率达到97%,为在线识别气固流化床流型提供了一种新的有效方法。     

基于图像动态纹理特征的气固流化床流型识别

准确识别流型是气固流化床二相流参数检测的重要内容,文中提出一种基于图像光流法和动态纹理特征相 结合的气固流化床流型识别的新方法.实验是在气固流化床二相流实验系统上利用高速摄影系统获取流型图像.流型图像分别为鼓泡床,节涌床,湍动床,快速流化床,稀相输送等5种典型流型.首先对获取的不同流型图像分别进行去噪和对比度拉伸...     

小波分析在气固流化床中颗粒碰撞压力信号分析中的应用

颗粒碰撞压力的大小和频率会严重影响气固流化床中内部构件及其支撑部件等的磨蚀情况和使用寿命,是设计流化床中内部构件及其支撑部件的关键因素之一。采用膜式压力应变传感器、多通道数据采集仪测定不同颗粒在操作流速0.262 1~0.524 2 m/s浓相区内不同轴向、径向位置处的颗粒碰撞压力信号,通过小波分析和相空间重构分析,揭示颗粒和气泡对颗粒碰撞压力的影响和气固流化床中内部构件的影响。     

网格尺寸对循环流化床内气固两相流动的影响

将基于能量最小多尺度方法(EMMS)的曳力模型耦合到双流体模型中,并针对循环流化床内的气固两流动进行了模拟研究。采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相,考察了3种网格尺度对轴向空隙率和出口颗粒循环量等气固流动特性的影响。计算结果表明,应用EMMS曳力模型处理相间作用力,同时在采用全滑移壁面边界条件处理颗粒相时,双流体模型能够正确预测轴向空隙率分布。采用网格尺寸为2.325 mm×20 mm时,模拟结果和实测数据吻合较好,表明在循环流化床的数值模拟中选择恰当的网格尺度是极为重要的。     

摇摆流化床的气固流动特性

采用二维床及D类玻璃珠颗粒,在表观气速U_g=0.267~0.978 m/s、摇摆幅值Θ=5°~15°、摇摆周期T=8~20 s的实验条件下,对摇摆流化床内气固流动过程及气体通过流化床的时均总压降进行了研究,并通过与常规直立床和倾斜床进行对比,分析了床体摇摆对气固流动的影响。结果表明,在平均角速度ω_ave>2(°)/s的条件下,当初始装料量和表观气速相同时,气体通过摇摆流化床的时均总压降低于直立床,高于相同最大倾角时的倾斜床;惯性力所产生的压降在0.15 kPa以下,其对床层压降的影响较小,床体倾斜导致气体向边壁区域聚集是影响摇摆流化床内气固流动特性的主要因素,由此导致床内存在固定床和下行移动床状态的非流化区域,使得处于流化区域的颗粒量减少,同时还降低了流化床层在竖直方向的静压。非流化区域的存在还会造成流化区域的气速高于直立床表观气速,两者表观气速之比为1.04~1.49。     

沉浸管式流化床的颗粒尺度模拟

为模拟具有复杂几何结构的气固流动系统,文中将计算流体力学和离散单元法与边界元方法结合起来,对沉浸管式流化床内颗粒及气泡的运动行为进行了数值模拟。模拟计算得到的瞬态流型图揭示了气泡绕流沉浸管束时出现的合并和破碎状态及颗粒群的详细运动行为,发现床内气固二相的流动受到沉浸管束存在的显著影响。当颗粒及气相的流动受到沉浸管的阻碍而绕管流动过程中气泡会发生变形,变得扭曲狭长且易被撕碎。同时颗粒与管道壁面碰撞会造成气固二相复杂的动态运动形式,床内的管道大部分时间会被气穴包围,将严重阻碍管道与颗粒之间的传热。