基于介尺度特性分析的流态化过程数值方法

准确描述气固两相相互作用力——曳力,是解决欧拉方法合理预测循环流化床气固两相流动和化学反应的关键。阐述了基于流态化系统最小能量分析(EMMS)而建立的若干非均匀曳力模型及其应用的研究进展。通过分析颗粒团聚的介尺度特性,改进了颗粒团固含率εsc模型,形成新的曳力模型QC-EMMS。经网格到整体流化床不同尺度的实验验证,表明新模型更准确地体现了有大量颗粒团聚现象的非均匀流动规律。基于该模型,进一步研究了局部颗粒浓度的脉动特性和概率密度分布(PDD),颗粒团出现概率及其演化等介尺度变化规律,深化了对气固流态化过程的认识。     

工艺条件对费托铁基催化剂气固流化特性的影响

传统上浆态床费托合成铁基催化剂主要采用浆态床反应器进行还原,之后转移至费托合成反应器中进行反应。随着费托合成反应器规模的扩大,配套的浆态床还原技术显现出了生产能力小,还原周期长等不足。通过对费托合成铁基催化剂气固流化特性进行研究,开发产能大、还原周期短的气固流化床还原技术能够显著提高费托合成装置的经济效益。在分析了费托铁基催化剂物性参数的基础上,利用氢气和氮气的混合气模拟还原合成气,在能够升温加压的不锈钢气固流化床反应器内,研究了工艺条件对催化剂气固流化特性的影响,包括温度、压力条件对床层压差脉动幅值的影响,温度、表观气速对反应器床层内气固分布的影响,并结合数值模拟揭示了加压条件下表观气速和温度条件对反应器床层轴向和径向的颗粒体积分数分布、径向颗粒速度分布的影响规律,获得了加压条件下床层从鼓泡流化态到湍动流化态的转变速度并与常压结果进行了对比。实验结果表明,压力增加能够降低床层压差脉动幅值;床层气固分布变化规律及关联计算结果表明在3.0 MPa条件下床层由鼓泡流化态转变为湍动流化态的气速为0.26 m/s。床层不同高度的径向模拟结果表明,在不同表观气速下,反应器内颗粒体积分数都沿径向呈中心稀、边壁浓的"环-核结构",颗粒速度沿径向呈中心上行、边壁下行的流动趋势;温度升高会造成床层压差脉动幅值减小,但对颗粒体积分数和颗粒速度分布的影响并不显著。在气固流化床的工业运转中适当加大操作压力,利于湍动流化态的形成及流化质量的改善。     

循环湍动流化床局部颗粒浓度的实验研究

在循环湍动流化床实验台上对FCC颗粒进行了流态化实验,采用PV6A反射型光纤探针对内径φ100 mm的提升管内颗粒浓度和波动标准偏差进行测试和研究。结果表明:同一轴向高度表观气速对颗粒浓度的影响较小;局部颗粒浓度的标准偏差结果显示,颗粒浓度波动程度较小,边壁区标准偏差值最小。     

裂隙液固两相流的数值模拟

根据采动岩体渗流力学的观点,矿井突水溃沙是液固两相流失稳的体现。基于CFX数值模拟软件建立裂隙水沙两相流数值模型,通过模拟与分析得到裂隙尺寸、沙颗粒直径和液相流速对压力梯度、时均速度分布和湍动能的影响规律。     

搅拌器内部三相流场特性模拟研究

针对搅拌器内部复杂湍流流场特性研究对提高其工作性能的重要意义,应用标准k-epsilon湍流模型,基于欧拉-欧拉法描述固-液-气三相流,并采用VOF模型捕捉气-液自由液面,离散相零方程模型解算颗粒运动行为,对容积为9L的实验室型搅拌器内部多相流场特性进行了模拟研究。研究结果表明,桶体挡板能有效防止漩涡产生,搅拌器内部流场呈上、下两循环分布,且下循环流速高于中、上部区域;流体运动速度与搅拌强度和正相关性,在较小粒径范围内,颗粒运动速度与其粒径呈正相关性,但其速度差异较小。小粒径颗粒体积分数分布相对较均匀,增大搅拌强度有助于提高颗粒分散性。搅拌器内部流场数值模拟研究可为提高搅拌器工作性能提供理论指导和技术依据。     

基于PIV的循环湍动流化床颗粒速度分布研究

试验采用粒子图像测速系统(PIV),研究了循环湍动流化床(C-TFB)在不同静止床层高度、不同操作气速、不同截面高度下颗粒速度分布及变化规律。试验在主体尺寸为2.00 m×0.40 m的C-TFB上进行,采用PIV系统对提升管不同截面高度进行测试,根据试验得到的最终速度矢量图对颗粒的速度进行分析。结果表明:操作气速U0越大,则轴向正方向速度越大,轴向负方向速度减小,说明适当增加U0可减少颗粒返混,提高反应器工作效率;静止床层高度H0的增加对颗粒速度影响较小,而床内物料含量增加,说明C-TFB反应器对物料的处理能力大;不同截面高度的颗粒运动变化差别较大,截面越高颗粒速度越趋于平缓,说明颗粒速度变化特征与提升管的尺寸密切相关。     

干法重介质流化床压力多尺度分析与流化质量表征

选煤是煤炭清洁加工利用的源头技术，干法选煤是干旱缺水地区与易泥化煤炭高效分选提质的重要途径。干法重介质流化床通过上升气流驱动加重质颗粒流化形成一定密度的气固流态化床层，实现对煤炭按密度分选，床层密度均匀稳定性即床层流化质量是决定分选精度的关键。受到气流、气泡、运动内构件、入料等多因素扰动，床层流化行为复杂多变，压力信号呈现出非均匀性、非线性、多尺度特征。基于干法重介质流化床压力信号的轴向差异传递与横向等效扩散特性，着重研究了床层轴向压差波动特征，提出流化质量定量表征方法。结果表明：基于时域分析可知，Geldart A类加重质颗粒床层总压降概率密度分布接近于正态分布；当床层散式膨胀时，由于颗粒间接触力的分布不均，概率密度呈现右偏且尖峰的偏离正态分布。通过频域分析发现，在床层膨胀区间的中末期，气泡主频主导了流化床的整个轴向区间；完全流化后的流化床，气泡主频仅控制着床层中部区域，床层浓度信号主频沿床层轴向分布变化明显。结合时域和频域信号分析结果，提出以轴向床层浓度主频为子区间波动标准差权重值的流化质量表征模型，可以综合评估干法重介质流化床的密度分布均匀性和稳定性，为干法重介质流化床分选密度稳...     

高硫高砷金精矿三相流化床流动特征模拟

常温常压条件下基于欧拉模型, 利用Fluent软件对高1.6 m、内径0.09 m的高硫高砷金精矿三相流化床流动特征进行了数值模拟。模拟过程以空气为气相且为连续相, 液态水为液相, 密度为3.2 g/cm3、粒径为0.5 mm的高硫高砷金精颗粒为固相。模拟结果显示, 流场的压力从计算域的入口到出口逐渐降低,速度场的变化对气液固局部相含率的分布影响显著; 在径向上, 气含率(ε_g)从计算域中心往边壁降低, 在轴向上也逐渐降低; 固含率(ε_s)从计算域的入口到出口逐渐减小, 从计算域中心向边壁ε_s增加。模拟结果与实验结果一致, 可为合理设置气流速度以及金矿投放量提供依据。     

基于Fluent的气固喷射器三维数值模拟研究

根据CFD和仿真思想,采用标准k-ε湍流模型,并利用拉格朗日法和欧拉法相结合的三维数值模拟技术,对气固喷射器内的流场和颗粒行为进行了数值模拟研究。对固体颗粒采用了离散相模型,考察了气固两相间的相互耦合[1]作用,结果表明:在该喷射器的接收室中,喷嘴管道周围的一些无效区域内有颗粒的聚集和停留,流场的湍动能在喷嘴出口区域周围达到最大值。其主要原因在于,喷射器中心高速射流区域周围产生了明显的回流现象,固体颗粒的加入对气体流动情况产生了一定影响,气体流场随后逐步稳定。     

基于DPM的悬浮磁化焙烧主炉气固流动传热数值模拟

为探明悬浮磁化焙烧主炉内气相温度场分布、颗粒流动特性以及颗粒升温速率等信息,基于CFD理论,对悬浮磁化焙烧主炉内稀相气固流动以及传热进行三维数值模拟计算。文中气相计算采用欧拉方法,固相计算采用Discrete Phase Model（DPM）,并考虑气固两相之间的相互作用。结果表明,悬浮磁化焙烧主炉温度在径向呈现炉心温度高、近壁温度低的分布特征,在轴向逐渐趋于均匀。矿石颗粒进入主炉后,在气流的拖曳作用下迅速上升,1.0 s时颗粒可到达主炉顶部,1.2 s时颗粒在顶部弯管处出现逃逸现象;颗粒进入主炉后,自身温度迅速上升达到峰值。由于颗粒相和气相不断进行热量交换,在主炉上部低温区域,颗粒温度有所降低。颗粒在主炉内停留时间呈现“早出峰、长拖尾”的分布特征,其中95%以上的颗粒在1.2~3.6 s内完成逃逸。     

转载溜槽CFD-DEM模拟的参数和模型研究

基于欧拉-拉格朗日框架,采用开源软件OpenFOAM和LIGGGHTS对转载溜槽内气固两相流动进行了CFD-DEM耦合数值模拟,标定了恢复系数,并分析讨论了不同曳力模型对转载溜槽流场模拟的适应性。结果表明,对于大尺度矿物颗粒恢复系数为0.75得到的结果与实验值吻合较好。在3种常用的曳力模型中,Di Felice曳力模型对此类大尺度的转载溜槽具有较好的适应性。研究结果为在采用数值模拟方法进行大尺度颗粒转载溜槽粉尘问题的研究和设计中确定合适的恢复系数数值和选择曳力模型提供了参考。     

气力提升管三相流中气相状态对固相运动影响

钻孔水力开采中利用气力提升系统对地下矿浆进行提升时,气体状态(气相值的大小及其运动特性)对矿浆中矿石的运动及其提升效率将会产生重要影响。基于三相流理论和气泡动力学理论建立了提升管中固相运动速度模型,以陶瓷球形颗粒模拟矿石,利用自行设计的小型气力提升系统实验研究不同运行参数(气量值、淹没率)对颗粒提升量的影响,采用高速摄像技术获取不同气量值下管内气-液-固三相流运动图像序列,通过图像处理技术分析气相对固相运动的影响机理并与实验结果相佐证。结果表明:不同气量值下,气泡对颗粒的作用程度及作用形式并不相同;当气量值较小时,液体对颗粒运动影响较大,此时颗粒数量少、速度低且多随气-液混合相沿管壁位置提升;随气量值的增加,气泡对颗粒及液体提升作用明显,固-液混合相浓度及提升速度均趋于最大值并整体向管芯运动,相对于管壁,管芯处颗粒提升速度较大,此时管内整体呈不规则螺旋上升;持续增加进气量,气体流速过高,管内紊动加强,颗粒非连续提升且固-液混合相浓度显著降低。与淹没率相比,气量值的变化对管内固相运动的影响更为显著。实验结果与理论分析吻合较好,对钻孔水力开采工程应用具有指导意义。     

固相密度对浮选机内固-液两相流悬浮均匀性的影响

借助计算流体动力学(CFD)方法,采用欧拉-欧拉模型研究了WEMCO浮选机内固-液两相流的流动规律,探讨了湍流模型、固相密度及转速对固液流场特性、固体分散均匀性和功耗的影响。结果表明：Shear stress transport (SST)湍流模型能更好地预测固液流场流动及固体分散性,流体在叶轮作用下形成上下两个循环流并呈中心轴对称结构。随着叶轮转速的增加,固体悬浮分散性显著提高,功耗呈指数增加。当固体密度增加时,固体悬浮均匀度ξ值与叶轮转速呈线性变化,固相密度越高越不利于悬浮分散。     

鼓泡床焦炭型氮氧化物生成的试验与模型研究

循环流化床（CFB）锅炉密相区是焦炭型氮氧化物（NOx）生成的主要区域,利用小型鼓泡流化床实验台比拟CFB锅炉密相区,在850 ℃床温和10% O 2浓度下,进行了单颗粒焦炭的燃烧实验,对不同床料粒度、制焦煤种、焦炭粒径和流化风速条件下焦炭氮向NOx的转化比例进行了研究。针对3种原煤制得的焦炭,均发现床料粒度增大后,鼓泡床乳化相内传质系数增加而传热系数降低,导致焦炭颗粒表面氧化性气氛增强,燃烧进程加快,焦炭氮向NOx转化率上升。初始焦炭粒径越大,焦炭氮向NOx转化率越低。流化风速的增大对焦炭氮向NOx转化有一定的促进作用,但并不显著。实验中对焦炭颗粒内部温度进行了测量,验证了前述的实验结果。同时,基于密相区传质传热特性与简化反应机理,建立了单颗粒焦炭燃烧及焦炭氮转化模型,计算结果与实验匹配良好,为CFB锅炉整体NOx排放模型的建立奠定了基础。     

基于CFD的液固分选流化床数值模拟

利用RNG k-ε湍流模型、VOF(Volume of Faction)多相流模型模拟了液固分选流化床(LSFBS)内外气液两相流场。待气液两相流场稳定后,耦合离散相模型(DPM)模拟了粗煤泥颗粒在LSFBS内部的分选过程。模拟结果能很好地吻合实验结果,其中与试验结果相比所有密度级在重产物中分配率的均方根误差为2.47,预测精煤产率相对误差为2.38%。在此基础上,分析了LSFBS速度场的分布特点;研究了上升水流速度和不同脉动周期、脉动波形的上升水流对分选效果的影响;得到了分选密度和可能偏差与上升水流速度间的函数关系;发现脉动水流分选精度低于均匀上升水流,对于脉动上升水流,最佳脉动周期为1.25 s,最佳波形为矩形。     

高翼螺旋钻杆内部气固两相流动数值分析

为了揭示高翼螺旋钻杆内部气固两相流动规律,采用Euler-Euler模型,对高翼片螺旋钻杆颗粒输运过程进行气固两相流数值计算,得到高翼片螺旋钻杆在不同转速下内部气体和颗粒两相的速度和压力分布规律。数值计算表明,在400 r/min时,截面内部速度分布和压力梯度均匀,转速为600 r/min时,在轴向中间截面产生压力不连续现象,截面内局部发生压力突变,此时内部流场分布紊乱。螺旋钻杆内部压强由进口到出口呈近似线性增长的趋势,转速越高,压力梯度越大,进出口压差也就越大,随着转速增大,螺旋钻杆中间截面速度依次增大,且静止域中速度明显高于旋转域的速度分布。随着转速增大,颗粒相速度依次增大,颗粒相的最大速度小于连续相最大速度。当转速为400 r/min时,颗粒相主要分布在静止域转筒壁面附近,螺旋钻杆内部颗粒分布较少,在惯性力作用下颗粒贴附在螺旋钻杆壁面螺旋推流,颗粒体积分数较为均匀,推流效率较高。当转速为600 r/min时,静止域内部中间位置转筒壁面附近颗粒体积分数较高,螺旋钻杆内部气固两相流动分布极不均匀,表现出显著的气固两相流动不稳定性。     

气固磁场流态化分选细粒煤

利用研制的横流式气固磁稳定流化床,以0.074~0.045 mm粒级磁铁矿粉和磁珠作为高密度和低密度分选介质,对6.0~0.5 mm 细粒煤进行连续分选试验。结果表明：当处于稳定流化时,磁场气固流化床比普通气固流化床具有更宽的稳定操作气速范围;外加磁场使磁性颗粒沿磁力线形成平行磁链,增大了床层空隙率,形成了分布均匀的通道,气体通过时不会产生气泡,由此形成了稳定的散式气固磁场流化床;高密度分选和低密度分选的可能偏差分别为0.085,0.075 g/cm 3 。     

循环流化床内煤矸石一维燃烧模型

为研究煤矸石在循环流化床锅炉内的燃烧性能,建立了预测煤矸石在锅炉内燃烧后的飞灰底渣残炭量的一维燃烧数学模型。建模采用"小室模型"的方法,将炉膛沿高度方向划分为多段小室,分别建立了质量平衡、动量平衡和组分平衡方程,计算得到了煤矸石燃烧特性沿炉膛高度的一维分布结果。与其他煤矸石燃烧模型不同的是,该模型详细考虑了锅炉内部气固流动、多孔介质传质和化学反应过程,并且耦合了颗粒在循环流化床锅炉的一维停留时间分布模型,模拟了颗粒在炉膛内部的流动过程。通过对模型的计算,得到矸石在循环流化床锅炉中的燃烧速率控制因素,以及矸石燃烧后的飞灰底渣残炭量与矸石物性参数和锅炉运行参数的关系。利用该模型计算并分析得到:矸石燃烧速率由灰层传质速率控制;选取灰层孔隙率大的矸石、增大锅炉热负荷、选取7m/s的风速、投入100~1 000μm的颗粒燃烧效率最高,飞灰或底渣残炭量最低。     

径向直叶片湿式旋流除尘器筒体流场数值分析

采用标准?-?湍流模型,利用CFD软件对径向直叶片湿式旋流除尘器进行了三维流场的数值分析,得到了除尘器筒体切向速度、轴向速度、径向速度和全压的分布规律。研究表明:除尘器气体模拟结果与试验结果吻合较好;对气、固两相流场采用相间耦合的随机轨道模型进行模拟,结果表明,当气体速度一定时,粒径颗粒越大,则分离效率越高。     

液固流化床内颗粒沉降的基础研究

介绍了液固流化床的工作原理,探讨了颗粒在液固流化床中的沉降机理,计算了密度为9.5g/cm3、1.85g/cm3,粒度为0.111mm、0.282mm、0.625mm、1.242mm,容积浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6时的颗粒在液固流化床中的沉降速度,并运用模拟软件FLUENT验证了上述沉降速度求解的正确性,从而为液固流化床在回收废旧印刷电路板的试验研究中提供了理论基础。