非均匀分布颗粒群中的曳力分布

本文采用格子Boltzmann方法(LBM)在图形处理器(GPU)上计算了由静止圆柱阵列组成的团聚物周期单元内的不可压缩流体流动,流固交界面处采用直接反弹以实现无滑移边界,每个圆柱上的曳力通过统计动量交换直接求得。根据LBM求得的流体速度,对于团聚物中的单圆柱按能量最小多尺度(EMMS)模型计算平均曳力系数,并考察了将聚团近似为均匀悬浮的临界条件。对颗粒雷诺数Re_p在0～10之间的80种固相份额的模拟结果表明,密相空隙率可以表征这种临界条件。当固相份额恒定时,该临界空隙率随着Re_p的增加而降低;当Re_p恒定时,该临界空隙率随着固相份额的增加而降低。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

基于EMMS的循环流化床流域研究

流化床的设计、放大和优化需要对流域有基础的认识，然而气固系统的流域划分至今仍存在诸多争议。总结了气固流化系统流域划分的研究现状，并分析了流域划分的主要争议，发现文献中对快速床的界定存在分歧。通过耦合基于稳态EMMS的曳力模型开展双流体模拟，对不同气速和颗粒浓度下的循环流化床进行了数值研究。模拟结果捕捉到了颗粒回流、节涌等现象，据此确定了快速床的操作边界并绘制了流域图，该流域图能够展示循环床中的各流域形态。     

基于MP-PIC方法改进EMMS/DP曳力模型

改进了面向离散粒子法的能量最小多尺度曳力模型(EMMS/DP)的颗粒参数生成方式,并将非均匀因子(HD)与固相浓度和滑移速度关联以考虑介尺度结构动态效应的影响,用改进的EMMS/DP模型与多相流质点网格模型(MP-PIC)耦合模拟气固两相流提升管系统,模拟结果与实验值吻合很好,考察了MP-PIC方法的网格无关性和粗粒化模型参数.     

Extending the EMMS/bubbling model to fluidization of binary particle mixture: Formulation and steady-state validation

The EMMS/bubbling model originally proposed for fluidization of monodisperse particles is extended to fluidization of binary particle mixture in this study. The dense and dilute phases are considered to comprise of two types of particles differing in size and/or density. Governing equations and the stability condition are then formulated and solved by using an optimization numerical scheme. The effects of bubble diameter are first investigated and a suitable bubble diameter correlation is chosen. Preliminary validation for steady state behavior shows the extended model can fairly capture the overall hydrodynamic behaviors in terms of volume fraction of bubbles and average bed voidage for both monodisperse and binary particle systems. This encourages us to integrate this model with CFD for more validations in the future.     

基于多尺度模型的MIP提升管反应历程数值模拟

MIP(maximizing iso-paraffins process)工艺采用两个反应器串联技术,可有效改善汽油质量。MIP反应器的冷态模拟虽能揭示反应器内的流动行为及几何结构的影响,但无法考虑反应引发的变化。为更准确地揭示该反应器中的油气及颗粒运动行为,尝试了三维瞬态反应模拟。模拟采用双流体模型结合十二集总反应动力学模型,并在相间动量传递模型和传热模型中考虑了多尺度结构的影响,然后与基于均匀分布的传统模型作对比。结果表明,相比于传统模型,多尺度模型能较准确预测二反段内的流动结构、颗粒浓度以及温度分布。在预测产率方面,两种模型所得结果类似,都对油浆和柴油的预测较好,对液化气和干气的预测偏差较大。这说明,仅在动量传递及传热模型中考虑多尺度结构的影响是不够的。     

初始分布对气固提升管动力学模拟的影响

近期研究表明,合理的初始分布能够大幅缩短气固提升管瞬态模拟从初始到达稳定状态所需的过渡时间。以此为基础,研究发现,若以时均统计的流场信息作为模拟的初始分布,则模拟能够很快达到稳定。然后,对影响过渡时间的各个时均流场参数(如压力、气固相速度、空隙率分布等)进行了敏感性分析,发现提升管的空隙率轴向分布是其中最为关键的因素。最后,利用EMMS(energy-minimization multi-scale)模型预测的空隙率轴向分布作为气固提升管动力学模拟的初始条件进行模拟,结果表明,计算很快能达到稳定,且预测的颗粒通量等参数与实验吻合较好。     

高通量循环流化床提升管中气固两相流动的研究

发展清洁煤炭利用、煤炭多联产和IGCC迫切需求研发先进的煤气化技术。循环流化床(CFB)提升管内的气固两相流动对循环流化床气化技术有重要影响。在f 0.187′10 m的冷态实验台上考察密相CFB提升管内气固两相流动。基于能量最小多尺度原理(EMMS)提出了改进的曳力修正系数表达式,并嵌入到双流体模型中,完成了冷态实验台的三维数值模拟。结果展现了CFB提升管内典型的环核结构和壁面颗粒返混现象,同时捕捉到了颗粒团的形成与破裂运动。通过与Gidaspow曳力模型计算结果的比较证实,提出了曳力修正系数可以较好地模拟浓相CFB提升管内的气固两相运动。     

提升管中气固相的局部滑移速度

引　言理论和实验研究表明 ,局部流动结构及径向整体流动结构的不均匀性是气固系统主要特征之一 .径向整体流动结构不均匀性主要表现为颗粒浓度、颗粒速度及气流速度沿径向存在着梯度分布[1] ,局部不均匀性则指密相团聚物与稀相共存[2 ,3 ] .由于稀相中颗粒以单体的形式存在 ,为均匀结构 ,所以局部不均匀性就表现为颗粒团尺寸沿径向存在不均匀性 .这种颗粒团尺寸的不均匀性导致了滑移速度沿径向也存在着梯度分布 .但由于测量手段的限制 ,人们很难得到其准确数值 ,而这对于研究动量、质量及热量传递至关重要 .Ｚａｋｉ等[4 ] 、Ｍａｓ ｔｅｎ…     

溶液结晶中的介尺度成核过程研究进展

成核作为溶液结晶的第一步,是决定晶体产品质量的关键因素。目前,成核理论主要包括经典成核理论和非经典成核理论。相比于仅以原子、离子或分子等均匀稳定结构为单元的经典成核理论,非经典成核理论以纳米级前聚体为单元,这类单元涵盖了聚集体、纳米粒子等介尺度非均匀动态结构,导致形成的非经典成核过程更为复杂,需在传统的化学、化学工程和过程系统工程研究方法的基础上,充分利用介尺度科学研究方法完成其核心规律的探究。为此,总结了二步成核理论、预成核团簇理论、粒子附着晶化理论以及其他新提出的非经典成核理论,分析了其中的介尺度结构及其时空动态行为,并探讨了利用介尺度数学模型对现有成核数学模型的修正和优化的思路,最后对溶液结晶中晶体成核的介尺度研究范式及理论发展进行了展望。