塔式鼓泡流化床内的涌渗流动特性

为强化气固接触,提出了一种新型塔式鼓泡循环床反应器,采用多个带有风帽的中间分布板、沿床层高度方向将反应器分隔成若干腔室,流化过程中形成一种特殊的涌渗（gushing）现象;依据连续拍照所得图像,基于快速傅里叶变换和小波包变换的方法,对床内压力脉动信号进行分析,研究涌渗产生和消亡条件,频率和能量大小,以期掌握涌渗的形成规律。结果表明,此反应器内流化数为3.47时涌渗产生明显,周期性寿命为1~2 s,频率分布于0.1~0.5 Hz区域;保持流化风速不变,改变反应器结构,加入一层中间分布板构成双腔室、调整下腔室高径比为3：1以及适当增大风帽开孔率时,涌渗主频明显,能量适中,涌渗效果得到优化。因此,塔式鼓泡流化床内的涌渗流动特性取决于流化风速以及塔式鼓泡床的几何结构。     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法（LBM）与离散单元法（DEM）相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明：颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

二维鼓泡床内气液流动特性实验与数值模拟

采用高速摄像法测量了0.20 m×0.02 m×2.00 m拟二维床内气泡尺寸分布和流型等变化规律,结果表明,随着表观气速的增大,鼓泡床内依次呈现均匀鼓泡区、过渡区和湍动区3种形式,以气泡个数概率表示的气泡尺寸分布呈对数正态分布。以计算流体力学软件ANSYS CFX 10.0为平台,采用k-ε湍流模型和GRACE曳力模型对气液鼓泡床内流体动力学行为展开了数值模拟,其结果与实验值比较吻合。研究表明,从多相流理论出发的计算流体力学模拟方法可以用来预报鼓泡床内流型过渡等流体动力学特性。     

鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟

将应用欧拉双流体模型对鼓泡气化炉内的气化过程进行研究。摒弃传统颗粒动理学理论中颗粒光滑无旋转的假设,引入颗粒的旋转运动,构建粗糙颗粒动理学理论来封闭双流体模型。基于燃烧理论建立粉煤热解、气化模型以及鼓泡床内气固之间以及气体和气体之间的传热、传质模型。采用该模型进行数值模拟计算,分析床内的气固反应过程,对比实验结果表明粗糙颗粒动理学理论适用于模拟鼓泡床气化炉内的反应。     

大涡模拟方法模拟鼓泡床内气固两相流动

采用大涡模拟（LES）方法模拟气相湍流,颗粒动理学方法考虑颗粒相碰撞产生的动量和能量传递和耗散,采用颗粒相大涡模拟方法（LESp）模拟颗粒脉动导致的能量耗散,同时考虑介观尺度对颗粒相压力的影响,建立了气体-颗粒LES-θ-LESp双流体模型,研究鼓泡流化床内气固两相流动的特性。数值模拟与文献实测颗粒速度和实测颗粒浓度结果具有相同的变化趋势。     

B类颗粒在鼓泡流化床中流动特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型对鼓泡流化床中气-固两相流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,采用结构曳力模型能够较好地预测B类颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。对比初始流态化颗粒浓度图和完全流态化颗粒浓度分布图,可以发现结构曳力模型能够较好地展现鼓泡流化床中气泡的运动特性。当比较不同曳力模型下的模拟结果时,结构曳力模型比传统曳力模型能够更好地预测颗粒的径向分布。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明:采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

鼓泡床床层高度的细网格DEM模拟

气固流化床DEM的细网格模拟中,采用传统方法计算网格空隙率和局部空隙率会对模拟结果造成较大偏差,给出一个精确面积分数模型和一个完全依赖颗粒环境的局部空隙率模型,从而更加合理地计算网格空隙率和局部空隙率。采用二倍颗粒直径的细网格模拟了小规模鼓泡流化床,模拟的气泡形状和尺寸与实验结果接近。模拟结果表明：采用给出的面积分数模型和局部空隙率模型能较好地模拟鼓泡流化床床层高度随时间变化的波形。     

Geldart A类颗粒节涌床气固流动特性的实验及模拟

针对气固节涌床,在实验基础上,基于欧拉?欧拉双流体模型结合颗粒动力学理论,考虑Geldart A类颗粒聚团对气固间曳力的影响,采用修正后的Gidaspow曳力模型对气固节涌床进行数值模拟。结果表明,通过与实验结果及经验公式进行对比,修正的模型可准确合理地模拟流化床内节涌特性。表观气速0.09 m/s≤Ug≤0.39 m/s时,床层内部压力脉动标准偏差随表观气速增加而增加,流型由鼓泡转变为节涌直至节涌程度最大,床内气固流动主要受轴对称栓运动特性影响,床内压降、床层膨胀比、气栓平均上升速度、最大轴对称栓长度随表观气速增加而增加,最大轴对称栓产生位置随表观气速增加而降低;Ug>0.39 m/s后,床内压力脉动标准偏差随表观气速增加而降低,节涌程度降低至向湍动流态化流型转变,床内气固流动主要受壁面栓运动特性影响,增加表观气速,节涌床内压降变化幅度较小,气栓平均上升速度增加幅度加大,床层膨胀比及最大轴对称栓长度降低,最大轴对称栓产生的位置略有升高。     

鼓泡床内气泡-液体两相湍流代数应力模型的数值模拟

现有的气泡 -液体两相流动的数值模拟中 ,或者不考虑湍流 ,或者仅仅考虑液体湍流 ,但是直接模拟和PIV测量结果都表明气泡由于尾迹的作用有强烈的湍流脉动 .本文首次推导和封闭了同时模拟气泡湍流脉动和液体湍流脉动的二阶矩输运方程两相湍流模型 ,并在此基础上建立了代数应力气泡 -液体两相湍流模型 .用代数应力模型模拟了二维矩形断面鼓泡床内气泡 -液体两相流动 .预报结果给出了气泡和液体两相速度场、两相Reynolds应力及湍动能分布和气泡体积分数分布 .模拟结果与PIV测量结果符合很好 ,表明了模型的合理性 .研究结果表明 ,原先静止的液体在气泡因浮力而产生的上升运动的作用下产生回流流动 ,而气泡则只有上升运动 .气泡速度始终大于液体速度 .在床内气泡湍流脉动确实始终很强烈 .液体则由于气泡的作用以及自身速度梯度产生的双重作用而发生湍流脉动 .气泡的脉动显著地大于液体的脉动 .两相湍流脉动都是各向异性的 ,而且气泡湍流脉动的各向异性比液体的更强烈     

Hydrodynamics in a jet bubbling reactor: Experimental research and mathematical modeling

The radial distribution of liquid velocity in the axial direction of a jet bubbling reactor has been measured by experimentation. Three different typical flow structures controlled by liquid jet, gas bubbling, and liquid jet coupled with bubbling are observed. A tank in series model is established on this basis. Calculated values in each region are in good agreement with measured values in jet, bubbling, and wall effect controlled areas. Axial flow rate, radial exchange rate, and jet controlled volume η are analyzed from energy input aspect under different u_g and u_j. Simulation results indicate that under the synergetic action of the liquid jet and gas bubbling effect, jet controlled area exhibits a “spindle” structure, and its size decreases with the increase of u_g. When gas input power occupies about 67% of total energy consumption, the best synergy of liquid jet and gas bubbling is obtained. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 1814–1827, 2018     

固体碱渣解聚均质器结构试验与数值模拟

制碱工业过程产生大量碱渣等废弃物,固体碱渣再利用是化工行业技术难题。本文以某化工股份有限公司氨碱法制碱过程中产生的固体碱渣为研究对象,数值模拟研究了影响均质器内浆液分布均匀性的变化因素,通过试验验证了均质器的最佳结构特征。结果表明：固体碱渣的粒度小,具有溶胶的性质,经过压滤机压滤过后的碱渣,粒子重新团聚,硬度大、不易破碎、解聚;提高均质器的搅拌器转速对流体的流动速度及均质效果有很大改善,但并不能完全消除死区;相比于局部立式搅拌桨叶结构,采用立式搅拌桨结构的均质效果明显,且功耗更小;增加导流板结构,与未加装前相比,功耗降低,综合考虑确定均质器的搅拌器采用立式桨+平直桨+导流板的混合型桨叶结构,有利于提高碱渣再利用的经济性。本文研究结果可为固体碱渣制备脱硫剂的工业应用奠定基础。     

SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟

浸没燃烧式汽化器（SCV）是液化天然气（LNG）接收站中一种必不可少的换热设备,主要通过水浴系统作为中间介质实现烟气与LNG之间的热量传递。搭建一套完整的SCV流动换热实验平台,对其内部复杂的传热特性进行研究。可视化实验结果揭示了汽化器内部一些独特的流体动力学现象（局部水浴结冰等）,同时通过建立的气液两相混合物与跨临界LNG耦合传热计算模型得到了换热管束内外局部流体温度和局部传热系数分布曲线,并分析了LNG进口压力、LNG入口速度、初始水位高度以及烟气进气量对NG出口温度和水浴温度的影响规律。研究成果能够为SCV国产化设计提供重要参考。     

鼓泡流化床稻草与污泥共气化试验

对工农业废弃物进行再利用对于保护环境和节约资源具有重要意义。本文在鼓泡流化床上进行了稻草与污泥共气化试验,分别分析了气化当量比、原料含水率和污泥掺混比对气化特性和焦油产量的影响。结果表明：当量比从0.2增加至0.4的过程中,产气中的可燃组分浓度、产气热值和气化效率均呈现先略有增大后逐渐减小的趋势,气化效率在当量比为0.25左右最大达到53.8%;在整个过程中,气化焦油产量随着当量比的增大而逐渐减小。原料含水率的增大对于气化具有削弱作用,随着含水率从5%增大到20%,产气中的可燃组分浓度均逐渐减小,产气热值、气体产率和气化效率在含水率为20%时均达到最低;焦油产量先增大后有所减小。在污泥掺混比从0增至30%过程中,H₂的浓度基本不变,CH₄和CO的浓度先增加后减小,产气热值和气化效率在掺混比为20%时均达到最好;焦油产量随污泥掺混比增加先逐渐减小后略微增大。     

空化射流流场数值模拟的研究进展

空化射流因具有高效能、无污染等优点而被广泛应用,但是由于其流场结构和水动力学性能过于复杂,使得对其的应用受到限制,为进一步认识和研究空化射流流场特性,对空化射流数值模拟过程中的空化模型、数值计算方法和流场特性影响因素的研究进行了综合论述.阐述了数值模型中不同的空化模型、湍流模型和多相流模型各自的特点、适用条件及存在的问题;对比分析了拉格朗日和欧拉数值计算方法在空化射流模拟中的应用,以及空化射流自身特点对计算方法的要求;对空化射流流场特性的影响因素研究情况进行了综合概述,使复杂的空化射流流场结构有更加清晰的表现,为以后的研究与应用提供了依据.通过以上论述,对目前空化射流数值模拟研究进展中存在的问题进行了分析,并根据所提出的问题,对以后的研究方向提出展望,有助于以后在空化射流流场的数值模拟研究中取得进展.     

Oil jet with dispersant: Macro‐scale hydrodynamics and tip streaming

Modeling the movement of oil released underwater is a challenging task due to limitations in measuring the hydrodynamics in an oil‐water system. In this work, we conducted an experiment of horizontal release of oil without and with dispersant. The model VDROP‐J was used and compared to the model JETLAG, a miscible plume trajectory model. Both models were found to reproduce the oil jet hydrodynamics for oil without and with dispersant. The predicted DSD from VDROP‐J matched closely observation for untreated oil. For oil with dispersant, experimental results have shown evidence that tip streaming occurred. For this purpose, a new conceptual module was developed in VDROP‐J to capture the tip streaming phenomenon and an excellent match was achieved with observation. This study is the first to report tip streaming occurring in underwater oil jets, which should have consequences on predicting the DSD when dispersant are used on an underwater oil release. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2017     

水力喷射空气旋流器中射流雾化过程模拟及其机理

水力喷射空气旋流器(WSA)是一种新型高效的气液传质反应设备。采用雷诺应力模型和VOF两相流模型较好地模拟了WSA的气相压降特性、液相回流比和射流雾化过程,并讨论分析了雾化过程的机理。模拟和实验研究表明,WSA的气相压降随着进口气速的增加先后出现低压降区、压降突跳区、压降过渡区和高压降区4个特征区域,并给出了不同压降区域之间转折点气速的计算方法。射流在这4个压降区域里,分别表现为稳态射流、变形与袋式破碎、袋式破碎与剪切雾化和剪切雾化与离心分离等流态。射流在压降过渡区与高压降区的转折点左右实现充分雾化并达到最大相间传质面积。研究结果为建立基于WSA压降特性的射流雾化与流场调控方法提供了理论依据。     

泡沫镍板冷却特性的实验研究及数值模拟

以泡沫镍板为研究对象，采用实验与数值分析方法，研究了泡沫镍板在冷却过程的基本特性。实验结果表明，在泡沫镍板生产线正常运行期间，整个冷却过程可视为稳态过程，镍板各部分温度基本保持不变。较大温度梯度主要集中在两处，第一是还原性气体入口处，第二是高温水冷段的前半段。数值分析表明，改变镍板的运动速度时，第一温度梯度随着镍板运动速度的增加而增加，第二温度梯度随着速度的增加而减少，二者出现的位置也相应变化；改变高温水冷段水温时，水温升高引起第二温度梯度减小，对其他位置的温度场影响较小。     

全方位旋转射流搅拌器流场数值模拟分析

在自行研发并制造的立体全方位旋转射流搅拌器的基础上,介绍了其结构组成和工作原理。为了考察该搅拌器的防沉降搅拌效果,采用SIMPLE算法和标准k-ε双方程湍流模型,运用Fluent软件对其三维稳态流场进行了数值模拟。通过对不同出射速度下全方位旋转射流搅拌器的3种不同偏转角度下的喷嘴与水平喷嘴喷射时在罐底产生的冲击压力、流速和湍动能进行分析并对比,结果表明:偏角喷嘴能够对罐底沉积物起到冲刷搅拌作用,但随着偏转角度的增大,冲刷搅拌效果相应减弱;相同出射速度下3种偏角喷嘴的相应参数均比水平喷嘴的数值更大,影响范围更广,防沉降效果更好;结合全方位旋转射流搅拌器立体旋转的结构特点进一步说明了全方位旋转射流搅拌器具有三维立体的搅拌作用。