洗涤冷却环内液体冷态流动行为数值模拟

为了研究洗涤冷却环内冷却水流动的情况,借助计算流体力学软件Fluent建立了洗涤冷却环流体冷态流动的数学模型,同时为了验证模型的可靠性,对洗涤冷却环出口处的流动情况进行了实验研究,实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明:因为洗涤冷却环的结构限制,其内部存在多处涡旋区域;内室入水口周向位置处的涡旋运动最为剧烈;受其影响,入水口周向位置的射流孔出口平均速度最小,两入水口之间周向位置的射流孔出口平均流速最大;槽缝出口的平均流速在周向上的分布与射流孔出口平均流速分布相同。     

环形分布器气体的流动及气流均布

采用激光多普勒技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场 ,发现整流环外侧环形通道内存在大量循环气流 ,并呈变质量流动状态 ;整流环内侧环形通道中 ,循环流动基本消失 ,但仍存在较大的脉动速度 ,靠近内环射流孔处气体均匀径向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对均布效果的影响 ,发现通过调整整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在本实验范围内 ,整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

环行分布器气体流动及气流均布

采用激光多普革技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场，发现整流外侧环形通道内存在大量循环气流，并呈变质量流动状态；整流环内侧环形通道中，循环流动基本消失，但仍存在较大的劝速度，造近内环射流孔处气体均匀向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对匀布效果的影响，发现通过高速整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在该实验范围内，整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

幂律流体在Kenics型静态混合器中流动特性分析

为了探究Kenics型静态混合器内扭旋叶片剪切作用对幂律流体流动的影响,利用旋转流变仪测量了浓度为0.5wt%, 0.7wt%, 0.9wt%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液的流变参数,采用数值模拟与实验研究了扭旋叶片作用下幂律流体流动阻力和剪切稀化特性。对流场研究表明,扭旋叶片诱导产生了内流涡旋、绕流涡旋和近壁面涡旋,有效强化了静态混合器内流体流动的剪切作用。受多个纵向涡旋分布的影响,扭旋叶片局域流场中周向45°位置速度最高,周向30°位置涡量与剪切应力最高而黏度最低。径向0.4倍半径位置速度最高,0.7倍半径位置黏度最高。静态混合器有效提高了流体的二次流流动速度和剪切应力,降低了幂律流体的黏度和流动阻力系数。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口,形成三维凹壁面切向射流,以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理,利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性,并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明,示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加,流向扩展率为0.019～0.033,展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下,入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋,但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值,展向无明显波动。入口周向180°范围内,未发现二次流涡旋,沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1,未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口，形成三维凹壁面切向射流，以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理，利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性，并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明，示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加，流向扩展率为0.019～0.033，展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下，入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋，但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值，展向无明显波动。入口周向180°范围内，未发现二次流涡旋，沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1，未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

垂直降膜、鼓泡流动特性与传热机理研究进展

目前对于煤气化技术中洗涤冷却室内喷淋床的垂直降膜液膜波动特性以及鼓泡床中气体穿越液池过程的流动机理尚不清晰,本研究详细阐述洗涤冷却环进水口方式、液相雷诺数Re_l、气相雷诺数Re_g、下降管高度和管径等因素对垂直降膜中轴、周向液膜厚度、速度分布以及传热传质特性的影响机理。另外对鼓泡床中气体穿越液池过程的研究现状进行综述,尤其是气液夹带理论、气泡形成理论、气体负浮力射流理论、内构件破泡板的结构以及液相物性对气含率的影响理论和两相及多相流理论等。最后对洗涤冷却室内未来的可行性研究进行展望,为工业上气化工艺的合理实施以及能源利用提供参考性建议。     

洗涤冷却管出口处的射流深度和界面波动特性

采用压差传感器和高清摄像仪对洗涤冷却管出口处射流深度和洗涤冷却室内气液界面波动特性进行了冷模实验研究,研究发现,随着表观气速的增大,射流深度呈指数式增大,由此提出了主流射流深度与洗涤冷却管出口处动量通量的经验式,其最大射流深度可达2.51 cm,同时采用VOF模型和RNG κ-ε 湍流模型对其进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果还表明,洗涤冷却管出口处液面波动对床层内气液两相环流脉动的影响较为显著。     

洗涤冷却室垂直环隙空间内液相流动结构的研究

在与工业气化炉几何相似的洗涤冷却冷态模拟装置内,借助双头电导探针和皮托管-差压变送器,测量了环隙空间的气含率及内轴向和切向的液相速度分布,对洗涤冷却室内的液相流动结构进行研究。结果表明：下降管出口及破泡板下方轴向液速呈现近下降管外壁向下流动,液池内壁向上流动的结构,液相转折点分别为 r/R=0.7和r/R=0.6;破泡器的存在使轴向液速呈抛物线分布;切向速度相比轴向速度较小,在-0.15~0.1 m/s范围内波动;不同表观气速下的液相速度分布具有相似性,随着表观气速的增加,液相速度增大;通过对h=523 mm处液相速度分布的归一化处理,得到U_z/U_c模型关联式;经检验,环隙中心速度随塔径和表观气速的变化可近似用Nottenkaemper关联式描述。     

跳汰机供水均匀性的数值模拟研究

为提高跳汰机选煤时供水的均匀性,利用计算流体力学软件对跳汰机筛下水管各出口流量随入水压力的变化进行研究;结果表明:跳汰机供水管各出口开孔面积相同、进水压力一定时各出口流量并不均匀,流量差值随着进水压力的增加而增加,这对跳汰机均匀给水是不利的;在相同入水压力下,跳汰机供水管出口位置距离入水口越远,出口处的流量越大;跳汰机供水管各相邻出口之间流量的比值不随进水压力增加而改变。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

周向多入口凹壁面切向射流流动特性分析

为了探究三维凹壁面切向射流周向入口数量对流场的影响,选取Realizable k-ε模型,并使用非平衡壁面函数处理近壁面湍流流动,数值模拟了周向多入口流场的流动特性。流场研究表明,随着入口数量增加,前入口对后入口流动参数的叠加先增强后降低,在入口后周向角度30°~40°,射流区域叠加最强,射流外侧靠近入口处的影响最大。多股射流流场叠加使立式圆筒体内部的流动更加均匀,涡旋结构稳定在轴线附近。周向多入口凹壁面射流相较于单入口在切向速度、湍流动能、静压力最大值等参数上均产生叠加作用,其中三入口与单入口更接近,叠加作用最小。对总流量相同的不同入口结构设备内旋流流动研究表明,离心分离因数、湍流动能和静压力与入口速度相关性较大,叠加特性对旋流流动的增强作用不明显。可通过提高多入口射流速度提高离心分离因数及物料的处理量。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。     

新型循环射流混合器湍流特性分析

采用Fluent SST k-w湍流模型,分别对新型循环射流混合器受限区域内喷嘴射流自相似性和挡板长度对射流轴线衰减规律进行了数值研究. 对自由湍动圆射流在不同轴向距离下数值模拟所得无量纲速度衰减曲线与理论曲线吻合较好. 通过三维湍流流场分析对混合器内流体流动进行分区,并利用涡量分布分析混合器内的流体循环流动情况. 结果表明,在z/H=0.25时,平均涡量达最大值áw?max=11.22. 相平面角度qp<20o时,áw?为正,其余为负. 特别是qp=16o时,áw?max=27.22;qp=20o时,áw?min=-100.66. 由剪切速率分布得出较大的剪切速率分布于尾涡的位置. 最后给出了强化混合效果应考虑的因素.     

一种新型气固分离器内气相流场的数值模拟

针对催化裂化原料日益重质化的趋势,提出了一种后置烧焦管式组合再生工艺. 后置烧焦管出口的气固分离装置是实现这种工艺的关键设备之一. 为此,设计了一种基于离心与惯性分离原理相结合的新型气固分离器.为了详细研究该分离器,结合流场实验结果,采用数值模拟方法对该分离器内的气相流场进行了数值模拟,数学模型为标准湍流模型.模拟结果给出了分离器内的流场总体特征为:气流以切向速度为主,竖直向上进入分离器的气体绕排气管做旋转运动,先后由排气管上的窄缝排出,部分气体由排气管下方空间返回入口区;拱形分离空间内切向气速随径向位置的增加而减小.排气管上的开缝形式是分离器压降增加的主要因素.将排气管上的两条窄缝改成总面积与排气管内截面积相等的均匀切向窄缝,避免了管内旋流涡核的偏心,分离器压降明显降低.     

微通道反应器氯磷酸单丁酯与正丁醇酯化反应数值模拟

基于微通道反应器内氯磷酸单丁酯（MCP）与正丁醇（n-BuOH）酯化反应的实验结果,确定了有限速率（finite-rate）模型所需的反应动力学参数（活化能和指前因子）,进而通过此模型,采用数值模拟方法讨论了微通道几何尺寸及反应物进口流速对整个反应体系的影响。研究结果表明：在相同停留时间的前提下,管径减小使反应器出口位置的转化率升高,最高可达73%,并且反应器内物质分布的均匀性和一致性得到提升;在物料进口流速不变的条件下,随着反应器管长增加,出口位置反应物转化率有所提高,最高可达64%,但在实验条件的停留时间下,出口位置反应物转化率并没有达到峰值,峰值所在位置与出口位置相距约0.89m,存在一定的滞后现象;减小反应物进口流速会提高反应物的轴向转化率,但同时也会降低产品的质量流率。     

Numerical modeling,simulation, and experimental validation of predicting fiber diameter in wide‐slot positive‐pressure spunbonding process

An air‐drawing model of polypropylene (PP) polymer and an air jet flow field model in wide‐slot positive‐pressure spunbonding process are established. The influences of the density and the specific heat capacity of polymer melt at constant pressure changing with polymer temperature on the fiber diameter have been studied. The predicted fiber diameter agrees with the experimental data as well. The effects of the processing parameters on the fiber diameter have been investigated. The air jet flow field model is solved by means of the finite difference method. The numerical simulation computation results of distribution of the fiber diameter match quite well with the experimental data. The air‐drawing model of polymers is solved with the help of the distributions of the air velocity. It can be concluded that the higher air velocity and air temperature can yield the finer fibers diameter. The higher inlet pressure, longer drawing segment length, smaller air knife edge, longer exit length, smaller slot width, and smaller jet angle can all cause higher air velocity and air pressure along z‐axis position, which are beneficial to the air drawing of the polymer melt and thus to reduce the fiber diameter. The experimental results show that the agreement between the predicted results and the experimental measured data is very better, which verifies the reliability of these models. Also, they reveal great prospects for this work in the field of computer‐assisted design (CAD) of spunbonding process. POLYM. ENG. SCI., 58:1371–1380, 2018. © 2017 Society of Plastics Engineers     

流延设备负压真空箱流场仿真研究

采用Fluent软件对流延设备负压真空箱内部流场进行数值模拟研究,得到了真空箱内部的速度场和压力场,分析了压力损失过大的原因。提出了用单层均风孔板替代原双层均风孔板的优化方案,并分析了单层均风孔板位置、孔径和形状对真空箱性能的影响。分析结果表明,单层均风孔板位置、孔径和形状对真空箱进出口总压降影响不大,对真空箱均流效果影响显著。均风孔板距离真空箱背板150 mm,圆孔直径为6.8 mm时,真空箱综合性能最佳,优化后进出口总压降减少了10.1%。