喷动流化床颗粒混合特性的三维直接数值模拟

采用离散元方法,对喷动流化床内的颗粒混合特性进行了三维直接数值模拟。气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型。模拟喷动流化床上下两层颗粒的运动和混合过程,揭示颗粒的混合机制,同时提出表征颗粒混合质量的重要特征参数,并考察了喷动气速和流化气速对颗粒混合的影响。结果表明：由喷动气射流带动而形成的颗粒内循环是颗粒混合的机制;增加喷动气速度和流化气速度均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少且混合更均匀。     

喷动床颗粒粒径对提升管团聚特性影响的三维数值研究

采用离散单元方法(DEM),对喷动床提升管内稠密气固两相流动过程进行了三维数值模拟。颗粒相采用拉格朗日法,考虑了颗粒间及颗粒与气相间的相互作用,颗粒碰撞采用软球模型;气相采用欧拉法,利用标准k-ε模型模拟气相的湍流流动。通过对颗粒和气体流动行为的分析,获得了提升管内部稠密颗粒相的分布,并考察了颗粒粒径对提升管颗粒团聚特性的影响。结果表明,当颗粒的粒径较小时,提升管壁面处发生大规模的颗粒团聚,颗粒的分布不均匀;随着颗粒粒径的增大,颗粒团聚现象得到明显改善;当颗粒粒径为160μm时,沿着提升管高度方向的颗粒分布比较均匀,无团聚现象。通过计算分区的方法统计提升管内各区域颗粒数量百分比,统计结果与数值模拟结果吻合较好。     

底饲进料循环喷动床颗粒分布特性

为研究底饲进料方式对于改善反应塔内颗粒分布对称性和均匀性的效果,在一台f 0.6 m′15 m的底饲进料循环喷动床冷态实验装置上,通过等速取样的方法得到反应塔内正向颗粒通量在截面上的分布规律,并比较不同操作条件对颗粒通量径向分布的影响。研究结果表明：相对于面饲方式,采用底饲进料能够显著改善颗粒相在截面各方向上的分布均匀性;流化速度和喷射速度是影响塔内颗粒分布的重要因素,随着流化速度的上升,颗粒通量在径向上的对称性提高,采用较高的喷射速度可以明显改善颗粒分布在径向上的分布状况。     

流化床轴径向混合特性的数值研究

结合离散单元法模拟,引入Ashton混合指数动态跟踪流化床内物料混合进程。颗粒速度分布和气固流动特性分析显示,内部颗粒循环尺度是影响床内混合方式的重要因素。气泡以轴向上升运动为主,加之颗粒自重作用,床内颗粒循环贯穿整个床层高度,颗粒能够实现快速整体混合,轴向具有明显的对流混合特征;另一方面,气泡径向运动彼此约束,内部颗粒循环径向呈现区域化分布,不同区域间的颗粒横向运动受到抑制,以扩散混合为主;相同条件下,轴向混合速度是径向混合速度的3.5倍。模拟所得混合时间尺度与颗粒速度在量值上与相关文献试验结果具有良好的一致性。     

基于网格改进的喷动床/喷动流化床气相场数值模拟及试验

采用FLUENT软件时喷动床和喷动流化床这种严格轴对称的柱锥体进行数值模拟时,常见气相场的伪收敛或伪扩散,且出现流场不对称现象.从网格结构的角度,提出了一种采用非一致性网格并沿往体的轴向与锥体入口尺寸相当的区域进行网络加密的改进方法.基于这种网格改进,对喷动床和喷动流化床的气相场进行了数值模拟,并在相应的试验装置上对模拟结果进行试验.结果表明,该网格改进对柱锥体有较好的通用性.     

基于格子玻尔兹曼方法-离散元法耦合模型的侧喷口喷动床模拟研究

气固两相流研究是了解侧喷口喷动床内颗粒剧烈而复杂的运动的有效手段。基于格子玻尔兹曼方法（LBM）-离散元法（DEM）耦合模型,流体相采用LBM中的D2Q9模型,固体相采用DEM软球模型,流固耦合采用Gidaspow模型,从介观角度分析侧喷口喷动床内流动特性,通过模拟和实验验证得到了侧喷口喷动床内流化过程,同时分析了不同喷射速度下空隙率、颗粒水平速度变化、能量分布及颗粒运动轨迹。结果表明:随着喷射速度的增大,管道区域面积也随之增大,时均空隙率范围变大;其动能和势能也增大,但由于初始堆积效应影响,床内颗粒的势能总是大于动能;当喷射速度增加时,床内颗粒势能变化并不明显,而动能变化明显;颗粒在床体内部会形成外循环和内循环2个循环,内循环时流化状态更好。本文结论对后续实验室规模的三维流化床系统快速模拟具有参考价值。     

流化床炉内颗粒混合的离散单元法数值模拟

为了更好地研究流化床内复杂的运动和颗粒间的混合情况,为流化床的设计及优化提供参考,采用欧拉–拉格朗日坐标系下的离散单元法软球模型在二维空间对单孔射流流化床内气固两相流动进行了数值模拟。其中颗粒相采用离散单元法,气相的计算采用SIMPLER算法,气固两相间遵循牛顿第三定律建立耦合模型,并用FORTRAN语言编程计算来实现。在假设不考虑传热、燃烧及颗粒转动的条件下,模拟得到了流化床内上下两层颗粒的运动和混合情况、气固两项的速度分布以及颗粒的浓度分布。模拟结果表明:由于受到空气射流的影响,流化床内存在强烈的颗粒返混和内循环现象。固体颗粒在横向和纵向都存在一定的浓度梯度,在空间中的碰撞次数分布也有不同,颗粒浓度高的地方颗粒碰撞和混合会更剧烈。     

喷动流化床气固流动特性试验研究

在一喷动流化床冷态试验装置上,采用压力信号与快速摄像图像分析相结合的方法,研究喷动流化床气固流动特性;基于床内压力分布特征,提出将喷动流化床沿床高方向划分为3个流型区域:喷动段、鼓泡段和悬浮段,得出床内气固流动机理;研究并考察了喷动风、流化风速度对床层压降、空隙率、以及床内气、固内循环的影响,认为喷动风速度Us应低于最小喷动速度Ums,适当地增加流化风速度Uf,延长气体在床内的停留时间;增加流化风率有利于加强床内中心射流区和环形区气体的扩散和颗粒混合,提高气、固反应速率;喷动风速度对床内气、固内循环起着关键作用。     

喷动气固流化床颗粒混合规律的实验研究

将改进的插板/隔板技术与快速摄像图像处理技术相结合,对100 mm′30 mm′500 mm喷动气固流化床内颗粒混合过程和混合行为进行了研究。同时引用统计学中相对标准差这一混合指数,系统地考察了喷动气速和流化气速对颗粒混合行为的影响。结果表明,颗粒混合随着时间的发展经历了3个连续阶段：宏观混合阶段、微观混合阶段和稳定混合阶段。在宏观混合阶段,对流混合占主导作用;在微观混合阶段,剪切混合也起了很大作用。增大喷动气速和流化气速均促使颗粒混合均匀,但过大的气速反而抑制了混合质量的进一步提高。由喷动气射流带动而形成的颗粒内循环是颗粒混合的主要机制。     

不同物性对椭球形颗粒在移动床中流动特性影响的模拟研究

采用多元颗粒模型对椭球形颗粒在移动床内的流动进行了离散单元法直接数值模拟。椭球形颗粒由3个叠加在一起的球元构成,建立了椭球形颗粒的碰撞机制,详细分析了其运动过程中的受力情况,主要是碰撞力和重力,并通过实验验证了模型的正确性。探讨不同物性颗粒在移动床内的流动特性,分析颗粒物性对流型、空隙率分布以及颗粒分离情况的影响。结果表明,滑动摩擦系数越小,颗粒流动越接近整体流,滑动摩擦系数越大,颗粒流动越接近漏斗流,且滑动摩擦系数越大,空隙率的波动范围越大,滑动摩擦系数越小,空隙率分布越均匀。滚动摩擦系数和弹性恢复系数对流型和空隙率的影响都很小。在二元混合物中,颗粒直径比越大,空隙率越小。不同尺寸颗粒混合物会导致颗粒分离,在下料时,颗粒直径比越大,细颗粒含量越少,但在物料卸出90%以后,细颗粒含量反而变大。滑动摩擦系数增大,在下料初始和最终阶段,细颗粒含量变大,而在下料中间阶段,细颗粒含量变少。     

回转式干馏炉内影响颗粒混合运动因素的数值分析

以水平回转式干馏炉为研究对象,采用离散单元法(discrete element method,DEM)建立颗粒运动模型,接触模型采用Hertz无滑动接触模型,分别对在其内设置不同形式抄板(直角抄板﹑弯抄板和直抄板)的混合效果和混合规律进行了数值研究。将大小颗粒间接触数与颗粒间接触总数之比定义为混合质量,并以此来衡量混合程度,同时分析抄板形式及转速对混合质量的影响。研究结果表明,干馏炉内设抄板时,混合趋于稳定的时间较短,抄板形式对混合质量的影响较小;随着转速的降低,混合质量曲线越平缓,波动幅度越小。研究结果对干馏炉的设计和优化具有一定的指导作用。     

鼓泡流化床内颗粒混合的对流—扩散模型

本文分析了鼓泡流化床内颗粒混合机理，综合了床内颗粒水平方向和垂直方向上的混合，将床内颗粒混合过程分成两部分：一、是向上运动的尾迹相和向下运动的乳化相之间的对流交换，二、是乳化相内横向扩散。建立了二维的对流扩散模型，数值计算和实验数据相吻合；研究了给料点的布置和流化速度对床内物料浓度的影响。     

回转干馏炉内抄板形式与双组元颗粒混合过程冷模数值研究

为了研究水平回转干馏炉内双组元颗粒的混合效果,采用离散单元法研究回转干馏炉抄板形式和干馏炉壁面周向线速度对双组元颗粒间混合程度的影响,并引入不同颗粒间接触数来衡量颗粒间的混合程度,以颗粒接触数动态跟踪颗粒间的混合程度。研究结果表明:当干馏炉内未设抄板时,大小颗粒发生分离,混合效果不好;干馏炉内设抄板时,抄板在周期性地"抄起–卸出"物料的过程中破坏原有颗粒间分离的机制,从而改善多组元颗粒混合效果。抄板形式和干馏炉壁面周向线速度在不同程度上影响颗粒间的混合,相同周向线速度下,干馏炉内设弯抄板时混合较优;周向线速度对混合的影响与抄板形式有关。对于设抄板的干馏炉内颗粒混合,需要综合考虑线速度和抄板形式来实现干馏炉内较优混合。     

采用多元颗粒模型对圆柱形颗粒在移动床中流动的离散单元法直接数值模拟

为了研究活性焦颗粒在移动床内的流动特性,通过离散单元法直接数值模拟方法对活性焦即圆柱形颗粒在移动床内的流动进行了数值模拟。采用多元颗粒模型来描述圆柱形颗粒,即圆柱形颗粒通过几个叠加在一起的球元构成。建立了圆柱形颗粒的碰撞机制,分析了圆柱形颗粒在流动时的受力情况,并通过实验验证多元颗粒模型的可靠性。从宏观和微观2个方面,比较圆柱形颗粒2种构建方式(2球元和3球元)下的模拟结果。结果表明:2球元和3球元构建的圆柱形颗粒在动能、转动动能、变形量、碰撞力、碰撞次数等微观方面的差别较大。且通过比较颗粒位置图和下料率可以看出,3球元圆柱形颗粒的模拟结果与实际结果更加相符,因此,选择3球元作为圆柱形颗粒的构建方式。     

采用颗粒团离散单元方法研究颗粒浓度的非均匀分布

气固两相流中尤其是稠密气固两相流中颗粒浓度在空间的分布总是非均匀，局部颗粒聚集。该文直接以颗粒团为研究对象，采用颗粒团离散单元方法(DEM)，建立非球形颗粒团的运动碰撞的模型与算法，基于真实碰撞，跟踪每个颗粒团的运动，模拟3种均匀或非均匀流场内的颗粒团运动经历。计算结果展现了颗粒浓度非均匀局部聚集的过程，揭示不同工况下流场中颗粒团的大小，颗粒分布及局部颗粒聚集的规律，结果表明在均匀流场中，颗粒均匀密集，非均匀流场中，颗粒浓度的非均匀性加剧。所得计算结果合理，与前人的模拟结果及实验结果相符。同时计算表明，采用颗粒团DEM模型能真实地揭示稠密气固两相流的特性，并使计算量有效减少。     

矩形截面流化床内颗粒运动可视化试验研究

将高速摄影和颗粒图像测速(PIV)技术结合，以空气作为流化介质，0.1~0.65mm透明玻璃珠为床料，对不同截面风速下矩形截面流化床内过渡区和稀相区的颗粒速度分布进行了分析。试验表明：过渡区截面突变造成颗粒的运动流场发生偏转，颗粒横向运动明显增强；稀相区的出口效应和矩形截面的角落效应对截面上的颗粒速度分布有重要影响。越靠近出口颗粒的横向运动越剧烈。出口效应对颗粒横向速度分量的影响要大于对轴向速度分量的影响，横向速度分量是影响稀相区颗粒宏观运动规律的主要因素。截面风速增大，使得测试区域的颗粒速度分布的不均匀性加剧。为减小锅炉磨损，对截面突变区域要使用圆滑过渡，减少不规则区域的存在；选择合理的出口结构和截面风速，同时要考虑角落防磨。