B类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对鼓泡流化床中气-固两相流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,采用结构曳力模型能够较好地预测B类颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。对比初始流态化颗粒浓度图和完全流态化颗粒浓度分布图,可以发现结构曳力模型能够较好地展现鼓泡流化床中气泡的运动特性。当比较不同曳力模型下的模拟结果时,结构曳力模型比传统曳力模型能够更好地预测颗粒的径向分布。     

分区曳力模型的2D鼓泡流化床流动特性模拟

曳力对两相流动特性具有很大影响,由于颗粒团聚的影响,传统曳力模型不能准确预测气固间曳力。为了提高两相流动特性的模拟精度,文中综合考虑不同曳力模型在特定浓度的曳力系数特性,分区确定曳力模型,并在模型断点处使用光滑函数,基于CFD开源平台OpenFOAM耦合TFM模型对2D鼓泡流化床进行流动特性模拟。结果表明:分区曳力模型床层膨胀率与局部压降预测平均相对误差分别比Gidapow模型降低15%和12.5%,同时可以正确表征气泡融合以及周围颗粒速度方向,宏观流动状态呈现出鼓泡流化床的内循环特性,表明分区曳力模型对鼓泡流化床流动特性模拟具有良好的适用性。     

基于气泡EMMS模型的鼓泡床两相流动CFD模拟

采用两步法将气泡EMMS模型拓展到计算网格层次,用于模拟鼓泡床两相流动,改进的EMMS曳力模型不仅与空隙率有关,且与网格内的速度直接关联.求解是在操作条件下利用宏观稳定性约束条件寻优得到乳化相内空隙率关系式,再用计算网格层次上的微观守恒方程结合乳化相空隙率关系式封闭求解其余结构参数及对应的曳力系数,最后借助用户自定义函数将气泡EMMS曳力嵌入双流体模型中,对含Geldart A类颗粒的鼓泡床内气固两相流动行为进行模拟与验证.结果表明,该模型能较好地模拟鼓泡床内的非均匀流动结构,准确捕捉到上稀下浓的轴向颗粒浓度分布特征,轴向颗粒浓度分布结果与实验值较接近,平均相对偏差为6.4%.床层径向上颗粒分布均呈明显的环-核结构.在不同床层高度(0.6,0.8和1.1 m)处的径向颗粒浓度分布与实验值基本吻合,仅在底部(0.4 m)略低,相对偏差小于14%.而Gidaspow曳力模型在4个床层高度与实验数据差距甚远,相对偏差可达91%.     

拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

基于EMMS介尺度模型的双分散鼓泡流化床的模拟

双分散气固鼓泡流化床中颗粒通常具有不同粒径或密度,导致产生颗粒偏析等现象,影响传递和反应行为。颗粒分离和混合与气泡运动密不可分,其中相间曳力起关键作用。最近Ahmad等提出了一种基于气泡结构的双分散介尺度曳力模型,能成功预测双分散鼓泡流化床的床层膨胀系数。本研究耦合该曳力模型与连续介质方法,模拟了两种不同的双分散鼓泡流化床,通过分析不同流化状态下的气泡运动、颗粒浓度比的轴向分布等参数,进一步检验模型的适用性。研究表明,当双分散颗粒处于完全流化状态时,耦合双分散介尺度曳力模型可合理预测不同颗粒的分离现象;而其处于过渡流化状态时,新曳力模型和传统模型均无法获得合理结果,此时调节固固曳力可改进模拟结果。     

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。     

静电效应对有无埋管气固鼓泡床内气泡特性的影响分析

采用基于双流体模型(TFM)耦合静电模型的方法,研究颗粒的静电对有无埋管气固鼓泡床内气固流动特性和气泡特性的影响。首先在无静电场存在的条件下,利用双流体模型对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的流动情况进行模拟并与实验结果进行对比;进一步耦合静电模型,考察静电对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的整体性质和气泡特性的影响。研究结果表明,在无静电场条件下采用双流体模型能较好地预测自由鼓泡床和埋管鼓泡床内的气固流动状况以及气泡的平均直径和气泡的上升速度。埋管的存在使鼓泡床内气固流动发生强烈扰动,并使气泡的平均直径和气泡的上升速度均呈振荡分布。静电的存在对自由鼓泡床和埋管鼓泡床内床层的平均固含率影响不大,但对气泡分布规律影响较大,使得自由鼓泡床内气泡数目减少,而埋管鼓泡床下部区域的气泡分布比较集中,上部有大气泡出现。     

锥形分布板射流流化床CFD模拟及参数分析

采用双流体模型结合颗粒动力学理论,对锥形分布板射流流化床内气固流动行为进行了三维的计算流体力学(CFD)模拟研究,系统分析了曳力模型、恢复系数和颗粒间摩擦力对射流流化床膨胀高度和气泡动力学行为的影响.结果表明,Syamlal-O'Brien和Gidaspow曳力模型低估了床内实际曳力,从而导致模拟膨胀高度低于实验值,而Modified Syamlal-O'Brien曳力模型能更好地预测床内实际曳力,计算结果与实验值吻合得较好;恢复系数对于射流流化床内气泡动力学行为有着重要影响,气泡的大小、上升速率和产生频率均随着恢复系数的增加而减小;颗粒间的摩擦力也是影响床层膨胀高度和床内气泡产生的重要因素.     

二维鼓泡床内气泡尺寸分布的实验与CFD模拟

在有机玻璃制成的二维鼓泡床(0.20m×0.02m×2.00m)内,采用摄像法对空气－自来水的气液两相体系的气泡尺寸分布进行了考察。以商业计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,在双流体模型的基础上,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为进行了多相流CFD数值模拟。结果表明 MUSIG(Multiple Size Group)模型实现了对多气泡体系内气泡尺寸分布特性的考察,气泡尺寸分布的模拟结果与实验结果吻合得较好,从而说明了考虑了气泡聚并破碎的MUSIG模型能很好地反映出鼓泡床内气泡尺寸分布特性。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构(如气泡)对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的"三传一反"行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体(TFM)传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

鼓泡床中基于气泡结构的多相反应模型

气固鼓泡床是一个流动、传热/传质和反应多尺度时空耦合的复杂系统。其中介尺度流动结构（如气泡）对于气固相间传递起着关键性的作用。为了准确描述气固流态化系统中的“三传一反”行为,需要在合理物理简化的基础上建立介尺度模型。提出了基于气泡结构的多流体反应模型,考虑了介尺度非均匀结构对于鼓泡床内气固相间反应的影响;定义了基于气泡的反应非均匀因子修正双流体（TFM）传质反应模型,从而使模型更加易用。通过鼓泡床内的臭氧催化分解反应模拟,对模型进行了初步验证,模拟结果与文献结果相符。     

二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

采用高速摄像法测量了0.20 m×0.02 m×2.00 m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

基于EMMS模型的气固鼓泡床的模拟及气泡特性的分析

基于EMMS曳力模型,采用双流体的方法对气固鼓泡床内的气固流动特性进行模拟,建立基于图像处理气泡特性的分析方法,重点研究了不同表观气速下气泡在床层内分布特性,包括气泡平均当量直径、气泡速度和气泡球形度的轴向分布,以及气泡的生命周期。研究结果表明,小气泡多集中在床层底部和壁面区域,而大气泡多集中在床层中间区域。随着表观气速的增加,床层高度不断增加,气泡的球形度降低,气泡的大小、出现频率、上升速度以及生命周期均增加;然而,当表观气速增大到一定程度,继续增加气速对气泡的上升速度影响不大。     

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟

对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟的表观气速范围为0.02～0.30 m•s^-1; 模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响。液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型,两相间的动量传输仅考虑曳力作用。模拟获得了轴向气/液相速度分布、气含率分布、湍流动能分布以及气泡表面面积密度等,对部分模拟结果与实验值进行了定量比较,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。     

双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响

应用双流体模型CFD模拟的方法,从恢复系数和曳力两方面,研究了气固密相流化床中颗粒之间和气固相之间的相互作用对床内非均匀流动结构形成与变化的影响.计算结果表明颗粒间非弹性碰撞和气固间曳力的增大均使气固两相流动的非均匀性增大.通过比较二者对非均匀流动结构的影响,发现气固间曳力是形成非均匀流动结构的决定因素.从碰撞耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了二者的作用机理,发现恢复系数和曳力对流动结构的作用主要区别在于对颗粒团聚和床层膨胀的影响程度不同.     

耦合EMMS曳力与简化双流体模型的气固流动模拟

提出了一种耦合EMMS曳力的简化双流体模型,该模型忽略固相黏度,用简单的经验关联式来计算固相压力,并且耦合考虑了介尺度结构的EMMS曳力模型来计算气固相间作用力。采用简化双流体模型成功模拟一个三维实验室尺度鼓泡流化床,数值模拟结果与完整双流体模型以及实验测量结果进行了比较,结果表明耦合EMMS曳力的简化双流体模型模拟结果与完整双流体模型耦合EMMS曳力的模拟结果基本相当,并且都与实验结果吻合良好,然而简化双流体模型的计算速度是完整双流体模型的两倍以上。这表明曳力模型在气固模拟中起着主导作用,而固相应力的作用是其次的,耦合EMMS曳力的简化双流体模型在实现工业规模气固反应器快速模拟中具有巨大潜力。     

耦合EMMS曳力与简化双流体模型的气固流动模拟

提出了一种耦合EMMS曳力的简化双流体模型,该模型忽略固相黏度,用简单的经验关联式来计算固相压力,并且耦合考虑了介尺度结构的EMMS曳力模型来计算气固相间作用力。采用简化双流体模型成功模拟一个三维实验室尺度鼓泡流化床,数值模拟结果与完整双流体模型以及实验测量结果进行了比较,结果表明耦合EMMS曳力的简化双流体模型模拟结果与完整双流体模型耦合EMMS曳力的模拟结果基本相当,并且都与实验结果吻合良好,然而简化双流体模型的计算速度是完整双流体模型的两倍以上。这表明曳力模型在气固模拟中起着主导作用,而固相应力的作用是其次的,耦合EMMS曳力的简化双流体模型在实现工业规模气固反应器快速模拟中具有巨大潜力。     

快速流化床一维轴向稳态流动模型

本文对稳态操作的快速流化床气固两相流动进行了分析,表明颗粒在床内的加速运动对床层各项参数有显著影响。考虑了颗粒加速作用以及由于颗粒聚集使气固两相相互作用力减小的事实后,可采用一维轴向稳态流动模型获得截面平均颗粒速度、空隙率以及曳力系数等参数及其轴向分布规律。模型预测与实验直接测定结果吻合很好。