喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟

采用离散元方法（DEM）,在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,对喷动流化床煤部分气化炉内的气固流动进行了三维数值模拟．直接跟踪床内每一个离散颗粒,考虑了碰撞力、携带力、重力、剪切提升力和Magnus升力,颗粒碰撞采用软球模型．获得了喷动流化床典型操作参数下的流动结构、颗粒的受力、颗粒的速度分布、气体和颗粒的湍流强度等结果．结果表明,颗粒之间碰撞率随着喷动气速的增大而增大,随粒径的增大而减小,然而颗粒与壁面的碰撞率受喷动气速和粒径的影响不明显．颗粒的运动受重力、携带力和碰撞力主导,除喷动区与环形区交界外,Magnus力和Saffman力可以忽略．气体湍流强度是颗粒湍流强度的2～3倍,近壁面区的气体和颗粒的湍流强度均较小．     

气固两相圆湍射流中湍流调制的数值模拟

对空间发展的气固两相圆湍射流进行了双向耦合的大涡模拟,系统地给出了不同颗粒尺寸和不同气载比时颗粒相对气相圆湍射流的调制规律.结果表明: 在下游区域,所有尺寸的颗粒均使气相湍流削弱,而在上游区域,颗粒对气相的调制存在临界尺寸.该临界尺寸随颗粒材料密度的增加而减少,而气载比的增加会加剧颗粒对气相的调制程度.     

气液传质相界面湍动现象的实验及分析

气液相际间传质过程中,由溶质浓度梯度产生的表面张力梯度可以导致相界面湍动现象.本文采用激光纹影仪观察及计算机在线图象采集的方法,对气液两相物理吸收和解吸过程中相界面处的湍动现象进行了实验研究.传质过程包括异丙醇、乙醇、甲醇、氯苯吸收和解吸CO2.实验结果表明,在不同的吸收体系中,有不同的湍动形状,根据其形状大致可分为多边形和滚桶状两类;同一体系,在不同的实验条件下,也会有多种界面湍动的形式,其形式与吸收体系性质和实验条件密切相关.     

气液固三相流在机械搅拌充气式浮选机内运动的数值模拟

针对机械搅拌充气式浮选机内部气液固三相流动比较复杂的情况,对有效容积为165 m3的大型机械搅拌充气式浮选机进行研究.采用Mixture多相流模型、k-ε湍流模型和雷诺时均 N-S方程,对浮选机内部的气液固三相流流动进行三维湍流数值分析.通过对内流场的数值模拟,分析机械搅拌充气式浮选机内部的流动,得出浮选机内部气液固三相的速度、体积分数、湍流强度和迹线等的分布规律.     

变径流化床反应器内的气固流动特性数值模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,对直径为160 mm、高度为273 3 mm的变径流化床反应器内的气固流动特性进行冷态模拟,研究不同气速及不同初始物料量对流化床反应器气固流动特性的影响,得到流化床内颗粒体积分数、颗粒速度以及颗粒停留时间的分布。结果表明,当气速不小于2.5 m/s时,流化床内颗粒体积分数轴向分布更为均匀,颗粒速度呈中间高、两边低的倒"U"形分布;壁面附近的颗粒停留时间长于中心处,使得壁面附近的颗粒趋于聚集;流化床的轴径向颗粒体积分数随着初始物料量的增加而增大。     

热态气-液-固三相搅拌反应槽的气-液分散特性

在直径为0.476m椭圆底搅拌槽内,以空气-去离子水-玻璃珠为实验物系,选用HEDT+WHU组合桨型,在体系温度为80～82℃时,研究热态体系中固相浓度、搅拌转速、通气流量等操作条件对气-液-固三相体系的功率消耗及气含率的影响规律。研究结果表明：在其它条件相同的情况下,热态的相对功率消耗(K)明显高于常温体系,而固相浓度对K影响不大。热态的气-固-液三相体系的气含率明显小于常温体系,但随着固含率的增加,两者气含率的差异逐渐变小。与常温体系中固体颗粒的存在对气含率基本无影响的规律不同,热态的气含率随固相浓度的增加而增加。     

三维球形堆积床内湍动特性的数值模拟

采用离散元软件LIGGGHTS重现球形堆积床的重力堆积过程,建立了球形堆积床的三维随机结构模型,同时构建了顺排结构和插排结构两种有序堆积模型与之对比. 采用CFD软件Fluent14.0对三种结构堆积床内的湍流流动进行了数值模拟研究.通过宏观阻力系数和压强降的分析,验证了随机模型的有效性,并讨论了球形堆积床随机结构内速度场特性和湍流参数的变化规律.结果表明:与经典的Ergun公式相比,随机模型的宏观阻力系数和压强降的整体误差低于6%;与有序堆积床相比,随机堆积模型具有流体速度场均匀性好、尾旋尺寸大、扰动强烈及瞬时耗散率极值高等特点.     

液-固两相流的运动描述与数值模拟

提出一种数值方案,模拟颗粒状固体在液体中沿一条水平管道的流动.粒子的运动和液体的速度场,是通过一个应用程序交替计算而确定的,即对所有单个粒子的运动应用牛顿定律得到盘状颗粒物的轨迹,求解Navier-Stokes方程得到液速场.利用本文模型及数值模拟方案,可以在计算机屏幕上直观地显示出每一个粒子的流动.     

细颗粒环形气/固喷动床的压力波动分析

采用高频采集压力波动信号,通过统计和频率分析等手段讨论喷动气速、静床高及测点高度等参数对压力波动标准差的影响,并对床体中压力波动来源进行研究.结果表明:压力波动标准差随喷动气速和静床高的增加而增大,随测点高度的增加而减小;由于采用多喷口送风,功率谱中出现高频峰值;床层压力场的扰动主要来源于气泡的产生和破碎、气泡运动的相互作用以及气流从压力室进入喷口所产生的相互扰动.     

六旋风分离器循环流化床内气固流动特性数值模拟

以六旋风分离器循环流化床为研究对象,基于计算颗粒流体力学方法,建立全循环数值模型;在通过模拟与实验对比确定最优曳力模型的基础上,探究物料量、入口气速对炉膛内气固流动特性及出口物料分配均匀性的影响,得到不同物料量、入口气速时炉膛颗粒速度、体积分数、质量流率与循环流率分布。结果表明：当炉膛内物料稳定运行时,颗粒体积分数沿轴向呈下大上小的S型分布,沿径向呈中间小两边壁面处大的U型分布;炉膛6个出口存在明显气固流动不均匀现象,炉膛左、右两侧对应出口截面颗粒水平速度、体积分数及旋风分离器入口段颗粒水平质量流率、循环流率相差不大,呈现对称分布,在同侧3个回路间呈现中间回路的小两角回路的大的分布规律,并且中间回路出口的明显小于两角回路出口的,气固流动不均匀性主要发生在同侧3个回路出口端。     

离心流化床自由空域中复杂湍流流动的数值模拟

针对离心流化床结构和运行特点提出了离心流化床自由空域的定义，采用ｋ－ε模型首次对其中气体复杂湍流流支进行了数值模拟，模拟结果揭示了离心流化床自由空域内气体流动的基本特征，分析了各主要参数对流动的影响，数值预报的切向速度与实验结果吻合得很好。     

油页岩固定床干馏过程三维数值模拟

主要研究了固定床内油页岩干馏过程的三维数值模拟。通过对固定床内气固相间传热传质过程的分析,建立了完整的气固两相传热传质模型,并采用多孔介质模型与流动模型相结合,将干馏过程中水分析出和干馏油气的析出过程通过用户自定义接口添加到模拟过程中。针对实际工况进行了模拟研究并与实验结果进行比对,吻合程度较好。此外,分别从进气速度和进气温度等方面进行对比分析,研究结果表明当进气速度提高0.5倍时,干馏进程加快1 600 s。当进气速度降低0.5倍时,干馏进程延缓4 200 s,换热效率明显降低。进气温度提高100℃,干馏进程加快600 s,油页岩中干酪根热解过程前期水分最大蒸发速率提高约11.4%。当进气温度降低100℃时,干馏进程延缓1 300 s,干酪根热解过程前期水分最大蒸发速率降低约24.7%。在气体热载体和传质过程的共同作用下,靠近进气位置的底部颗粒与周围环境气体中水蒸气及干馏油气之间的浓度梯度小于上部颗粒,这也是固定床内上部颗粒干馏进程较慢的一个重要原因。     

大颗粒流化床中颗粒受力的数值模拟

通过数值计算模拟了大颗粒鼓泡流化床中颗粒的受力情况．在模拟过程中，气相采用了欧拉描述方法，颗粒相运动过程的模拟采用了离散单元法．利用软球模型模化颗粒之间的碰撞力，分别研究了3种流化数下温度为300K、内含11000个直径3mm颗粒的流化床中，瞬间颗粒受力在床内的分布情况．结果表明：在通常情况下，乳化相区域颗粒受到的气体曳力平均值一般是其自身重力的1～2倍；除气泡内部外，颗粒所受到的碰撞力亦高于颗粒自身的重力；流化数越高，则床内碰撞力越大，当流化数为1．67后，碰撞力已成为影响床内颗粒无规则运动的主要因素．     

对撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟

通过分析对撞式流化床气流粉碎机的喷嘴结构、分级叶轮型式、加料口位置及底部结构等，阐述了该型气流粉碎机的结构型式及特点，为了克服设计该型粉碎机过程中的盲目性，采用计算流体力学软件fluent，对内径为200mm的对撞式流化床气流粉碎机的内腔气流场进行了有限元分析计算，并根据计算结果绘制内腔气流场的速度和压力分布云图，描绘了粉碎机内腔流场的气流迹线，为对撞式流化床气流粉碎机的优化设计提供了理论依据。     

大颗粒流化床传热数值模拟与气固传热模型比较

采用欧拉-欧拉模型对GeldartD类颗粒气固流化床的非定常传热过程进行了模拟,比较了包括Gunn模型在内的6种不同的气固传热系数模型.通过模拟二维流化床发现,基于6种气固传热模型得出的平均壁面传热系数与文献的实验关联式相差不大,但是6种模型给出的局部气固传热系数呈现较大的差别,其原因在于不同模型中的两个主要影响参数颗粒雷诺数和床层空隙率的贡献不同.比较了6种气固传热模型之后,采用Gunn模型对D类颗粒的流化床进行了模拟和分析,结果表明:尽管存在较大的气泡和一定程度的腾涌,D类颗粒流化床可以实现稳定的流化.从流化床内的温度分布的演化来看,D类颗粒流化床的传热均匀性不存在问题,较大的颗粒直径和较大的气泡并未造成传热问题.     

稀相喷动流化床的流动特性

根据玻璃纤维毡增强热塑性树脂基复合材料(GMT)制备新工艺特点,提出了稀相喷动流化床的操作方式。测量了床内颗粒速度分布,考察了操作条件、体系结构等因素对流化床流动特性的影响。结果表明：稀相喷流床中环隙区颗粒的下降速度比传统喷动床高出一个数量级;床内颗粒的喷动和输送的主要影响因素是喷动气,亦受到流化气、导向管、喷嘴内径的影响。另外对中试装置内物料的流动特性进行了研究,为工艺的开发、设计和操作提供理论依据。     

反向凝固器内伴随固液相变的湍流流动与传热的数值分析

针对FeC二元合金,建立了描述反向凝固器内伴随相变的湍流流动和传热过程的二维稳态数学模型.应用连续统一方程模拟固液相变过程,并假设两相区为疏松介质,对其中的流动应用Darcy法则.湍流现象则通过Launder-Sharma的kappa-epsilon双方程低雷诺数修正模型描述.采用Simple算法对凝固器内的速度场和温度场进行了模拟计算,并讨论了母带的厚度、入口温度和补充钢液的过热度等操作参数对相变过程的影响.分析表明母带停留时间是影响新生相生长的关键参数,即反向凝固器高度与母带拉速的比值应控制在一定的范围内.     

除湿系统中固定床内部气体流场的数值分析

以除湿系统中的固定床为研究对象，以K－ε模型和壁面函数法作为理论基础，通过使用PHOENICS软件进行数值分析计算，得出了固定床内部气体流动的速度场，并通过对气体速度分布规律的分析，为改善固定床的结构和填充状况以提高其除湿性能提供了理论基础。     

循环流化床床层与壁面间传热特性的模拟分析

利用已建立的数学模型，对循环流化床床层与壁面间的传热特性进行了预测．分析了床层密度、床层温度、流化速度、颗粒粒径以及壁面长度等设计和运行参数对传热系数的影响．结果表明，床层密度越大或温度越高，传热系数越大；而颗粒粒径越大或壁面长度越大，传热系数越小；流化速度对传热系数则影响不大．     

CuO/Al2O3作为载氧剂的流化床化学链燃烧数值模拟

以欧拉-欧拉双流体模型和气固非均相化学反应动力学为基础,嵌入了气固化学反应速率方程和反应内热源项的UDF(自定义函数)程序,对化学链燃烧燃料反应器——鼓泡流化床内气固两相流动及化学反应过程进行了数值模拟,并分析了甲烷进气速度对床内气固两相流动、传热及化学反应速率的影响.结果表明:随着甲烷进气速度增加,床内气固混合更加剧烈,气泡的产生、碰撞和破碎使得气固分布不均,流化质量下降,导致反应器内化学反应速率以及温度分布不均,床内局部存在的高温区域将使颗粒温度过高而烧结,降低了甲烷燃烧效率.