CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

河流水体中石油类污染物迁移的数值模拟

建立了一个平面二维数学模型,以浐河下游河段为例,模拟在点源污染情况下石油类污染物在河水中的迁移,分析其流场与质量浓度场分布规律。采用交替方向隐式技术（ADI）和双扫描法（Double Sweep）求解质量守恒方程和动量方程,采用以QUICKEST格式为基础的三阶有限差分显示格式求解对流扩散方程。结果表明：数值模拟很好地反映了石油类污染物在河水中的迁移扩散情况。该河段流速分布较均匀,只有个别河道狭窄处流速较大;发生点源污染时,大概140min可以形成1km长的污染带,石油类污染严重区域超标18倍以上,下游大多数区域污染超标在2.5～3倍之间,在河水流速增大时,污染范围将更大。     

圆柱旋流器多相流场的数值分析

采用简化的多相流模型建立了圆柱旋流器内液固多相流动的数学描述,并用雷诺应力模型描述湍流,对圆柱旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟,得到了旋流器内不同截面上的速度分布和不同时间的体积分布状况。数值计算结果为前人的试验和理论总结提供了有力的支持,对旋流器的进一步研究有指导意义。     

垂直多相流模型的建立及计算

针对垂直或稍微倾斜管流流动的特点,建立多相流模型,通过计算油-气-水三相每相的速度、组分等流动参数随深度变化情况来模拟油井流体流动。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

搅拌槽内多相流动数值模拟研究进展

综述了过程工业中广泛应用的搅拌槽反应器内多相流动数值模拟研究的进展.讨论多相湍流模型、相间作用力模型及搅拌桨处理方法等重要的数值模拟技术和方法,并对有关的计算模型进行了比较分析.针对搅拌槽内的各种多相体系,论述了不同研究者在桨区处理、相间动量传递描述和分散相的引入对体系湍流特性影响等方面的模拟方法并对结果作了比较.提出了需要进一步深入研究的课题.     

气固多相旋转射流的数值模拟研究

以气固多相旋转射流的偏微分方程组为基础,针对采用k-ε双方程湍流模型模拟旋转湍流场尚存的不足,本文通过对湍流耗散率方程修正的方法,数值模拟研究了气相湍流场、颗粒运动轨迹和轴向速度分布规律,开发研制出相应的通用计算软件,其预测结果与LDV实测值吻合较好.     

多相流中颗粒旋转运动特性的研究进展

多相流中分散相颗粒旋转运动特性研究对于进一步揭示多相流机理有重要意义,同时也有助于人们更全面地认识多相流动,因此,越来越受到学者们的关注。近年来,人们从理论模拟方面研究颗粒旋转对流场的影响,通过改进多相流数值模型来考虑颗粒旋转,获得了与实验吻合的结果,但由于模型本身的局限性,无法全面考虑颗粒旋转运动对颗粒群和周围流场的影响;在实验研究方面,人们尝试利用高速摄像方法测量颗粒的转速,并对实际气固两相流中颗粒的转速进行了测量,但更准确、有效的颗粒转速测量方法还需进一步探索。把直接数值模拟方法应用于颗粒旋转运动特性的模拟是进一步研究颗粒旋转运动特性需要突破的方向,另外,通过计算机视觉场景中的连续图像序列对目标物体进行三维运动和结构重建的技术,也将是颗粒转速测量方法的研究重点之一。     

对称进口水力旋流器多相流场及分离性能的数值模拟

选用混合模型对对称进口旋流器的流场及分离效率进行数值模拟,同时在分离效率、切割尺寸、生产能力几个方面与普通的单进口旋流器进行比较。研究结果为旋流器的改进提供更多的参考。     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,BasedLun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

水平管路油气混输模拟技术

以双流体模型为基础,建立了适用于水平油气混输管路的瞬态数学模型,并讨论了模型的求解以及分层流的结构方程对计算结果的影响。在大型多相流实验环道上进行了大量的混输瞬变流动过程实验,利用实验和现场数据对瞬态模型模拟得到的混输管道中的平均持液率、压降以及瞬变过程的入口压力、持液率等流动参数等进行了验证和计算,结果表明建立的模型可以比较准确地预测油气混输管路中的流动参数。     

水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数值模拟

利用一种非牛顿流体黏度修正模型描述水力旋流器内高浓度矿浆的非牛顿流动特性,并结合雷诺应力模型(RSM)、混合多相流模型(Mixture)以及拉格朗日颗粒追踪模型(LPT)建立了一种适用于模拟水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数学模型。模拟结果与报道的实验值的相对误差均在10%以内,表明了该模型的可靠性。结果表明,非牛顿流体黏度的空间分布与矿浆密度的空间分布类似。沿零轴速包络面(LZVV)的轮廓存在一个高密度环,其原因为某粒径范围内的颗粒受到的径向合力为零,颗粒群沿LZVV做高速旋转运动。分散相的空间分布取决于不同粒径的颗粒受力。对于不同粒径的单位质量颗粒,向外离心力的数值大约为向内压力梯度力的两倍左右,使得大颗粒进入下行流并在底流口收集。随着颗粒粒径的减小,总体向内且具有波动性的流体曳力呈指数增长。向内的流体曳力将部分颗粒推向轴心,经上行流逃逸,同时也增强了颗粒运动的随机性。当颗粒粒径小于一定值后,流体曳力远远大于离心力和压力梯度力,颗粒运动的随机性非常强,宏观表现为均匀分布。     

微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2 mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为：质量流速100 kg·m²·s^-1,热通量12 kW·m^-2,饱和温度15℃。模拟结果显示：2 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1 mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。     

生物膜填料床内含有生化反应的多相传输模型

废气处理生物膜滴滤塔的多孔填料床内是带有气液两相流动、有机污染物扩散、生物膜内生化反应的复杂生化反应体系.在平行平板理论模型基础上,建立了生物膜多孔填料床内含生化反应的多元多相流动及传输特性的多相混合模型,获得了废气处理生物膜滴滤塔净化效率的理论计算方法.模型的理论预测值与生物膜滴滤塔净化低浓度甲苯废气的实验结果基本吻合.     

旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析

作为固液分离器的基础研究,应用龙格-库塔法对进入旋转态液体中的固体粒子由运动开始到被分离完成的全过程进行了数值计算。动力学模型中除考虑了重力、浮力、流体粘性力外,还考虑了假想质量力、Basst力、Sffm an扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在实验装置中与数值计算参数相同的条件下进行了可视化实验研究。计算结果发现,在运动开始阶段,粒子的粒径越小,加速度越大,很快进入运动平衡状态,相反粒子粒径越大,加速度越小。运动的第2阶段,直径大的粒子仍在加速运动,因此不同直径的粒子运动之间存在一个运动加速度、速度及位移逆转现象。数值解析结果与可视化实验结果进行了比较,证明了数学模型与计算结果的正确性。     

旋转床超重力环境下多相流传递过程研究进展

旋转填充床作为一种高效的传质、分离与反应设备,在化工、环境保护、纳米材料制备、能源、制药等工业过程得到广泛应用。本文对旋转填充床超重力环境下,流体力学特性、传质性能、微观混合、多尺度传递特性等方面的研究进行了总结归纳。近年来,随着计算机科学与多相流传递过程的研究进展,对传递过程的研究也由实验手段为主转变为实验与数值模拟相结合的手段,对有关的数值模拟研究以及相应的多相流模型也予以总结描述。在此基础上,对旋转填充床超重力环境下多相流研究的未来发展提出了有关设想。     

微藻柱状式光生物反应器流动特性及结构的数值模拟优化

微藻作为最具潜力的可再生生物质能源,在生物固碳和生物燃料生产领域优势显著,有助于碳达峰、碳中和目标的实现。通过改善反应器曝气装置的性能可以大幅度提高微藻的培养效率,本工作采用数值模拟方法对柱式光生物反应器的球型曝气结构进行了优化。模拟采用欧拉模型,湍流模型选取k-ε模型,研究分析了不同曝气装置条件下气含率、平均液相速度、湍流动能几种参数的变化和光生物反应器内的流场情况。结果表明,曝气装置结构的变化对光生物反应器内的流动特性具有很大的影响,通过曝气装置向反应器内通气,气含率、平均液相速度、湍流动能随着曝气量的增大而增大,随着曝气装置孔径的增大而减小。综合各相关参数得到当总曝气量为1400 mL/min、曝气孔数为50、曝气孔径为30μm时,曝气装置性能最好,此时测得气含率为68.6%,平均液相速度为0.905 m/s,湍流动能为0.149 m²/s²。