基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法(CFD-DEM)对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构(颗粒涡团)的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构(颗粒涡团)的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法,建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明,颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比,考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡,颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加,床中心区域颗粒轴向速度提高,床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

粗糙颗粒碰撞参数对鼓泡流化床内气固流动模拟的影响

结合粗糙颗粒动力学理论和双流体方法,数值模拟了碰撞参数对鼓泡流化床内稠密气固两相流动特性的影响. 结果表明,增大摩擦系数或减小法向弹性恢复系数会使床内颗粒分布更为不均,并增强床层膨胀及压力降脉动. 合理选取摩擦系数模拟得到时均气固流场分布,与实验吻合,罂粟籽颗粒的摩擦系数取0.3~0.6较合适. 法向弹性恢复系数改变不影响时均气固流场分布的基本形态,其取值敏感性不如摩擦系数;切向弹性恢复系数对鼓泡流化床动态特性及时均气固流场的影响相对较弱.     

基于CFD-DEM的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟

采用计算流体动力学-离散单元耦合法(CFD-DEM),研究了柱形颗粒随机堆积固定床床层的流场流动特性。建立更接近柱形催化剂实体形状的颗粒模型,采用颗粒随机堆积法建立了固定床床层,通过对床层内部的流动特性数值模拟,得到床层内部空隙分布云图及压力场和速度场的分布规律。改变管径和粒径的比值(N,简称直径比),建立N为3,5,10和20的反应器固定床床层,分析了直径比对流场特性的影响。结果表明,当N为5时,床层堆积较为密实均匀,压降较大,速率变化幅度较小,故此管径比下固定床反应器内柱状催化剂床层有较好的流场特性。     

液固循环流化床中的颗粒速度场

利用超声多普勒测速仪（UDV）对液固循环流化床中颗粒流场进行了系统的实验研究.实验测定了不同轴向位置处的颗粒速度分布,得到了较完整的颗粒速度场,分析了入口区对流场分布的影响,考察了表观液速和颗粒循环速率等操作条件对颗粒速度场分布特点的影响,并利用各影响因素之间的相互关系对流型和速度的变化进行了分析.     

纳米SiO2在添加磁性大颗粒磁场流化床中的流态化

研究了纳米SiO2在添加磁性大颗粒磁场流化床中的流化性能,实验中通过测量其床层膨胀曲线、床层压降曲线以及塌落曲线表明:磁性大颗粒在交变磁场下的振动作用可以破碎流化床中纳米SiO2的大聚团.使床层压降和床层膨胀明显增大,流化质量获得显著提高.实验同时考察了磁场强度、磁性颗粒的添加量以及不同的静床高度等参数对流化性能的影响.获得了最佳工艺操作条件.     

不同气速下喷动床喷泉区颗粒特性的模拟分析

以欧拉多项流模型为基础,对底角锥度为60°、床直径为0.44 m的喷动床内气固两相流的动力学特性进行了模拟研究,并对不同气速下喷泉高度、颗粒体积分数、颗粒速率的变化进行分析,结果发现喷泉高度与进口气速在u/ums=1.2～1.8范围内具有良好的线性关系,拟合度可达到0.9997。固体颗粒体积分数在轴心区域较高,随着径向距离的增加逐渐下降,且随高度的增加呈现先减小后增大的趋势;颗粒体积分数受速率的影响较大,随着喷动速率的增大,颗粒体积分数趋于减小,但减小幅度不同。颗粒速度在喷泉核心区随床层高度增大而减小。同一床层高度上的颗粒速度随气速的增加而增大,但增大值不同。     

蜂窝状催化剂中空结构对固定床反应器压降的影响

压降是衡量固定床反应器优劣的重要指标,直接影响了反应性能和综合能耗,催化剂颗粒的外形和尺寸是影响固定床反应器压降的关键因素。采用颗粒分辨计算流体力学模型,研究了工业上常用的蜂窝状催化剂颗粒上中空结构对固定床反应器压降的影响规律。首先,通过对比实验测量的催化剂床层空隙率和压降,验证了建立的颗粒分辨计算流体力学模型的合理性和准确性,其中模型计算获得的压降与实验值相差5%以内。接着,研究了蜂窝状催化剂颗粒开孔个数的影响,发现在催化剂颗粒体积和开孔体积相同的情况下,开孔个数不会显著影响催化剂床层的空隙率,但开孔个数增加会导致压降增大,这主要是由于孔径变小后增大了流体在孔内的动量损失。最后,考察了单孔柱催化剂颗粒尺寸的影响,发现可通过调变外圆柱半径、内孔半径和高度,进而大幅度改变催化剂床层空隙率和压降,当单孔柱壁面越薄时,空隙率越大,致使压降越低。研究结果可以为催化剂颗粒外形的优化设计提供强大的模型工具和一定的理论指导。     

大颗粒振动流化床颗粒临界流化速度研究

建立了带内置水平管的振动流化床,并以颗粒状磷酸一铵为实验物料对带内置水平管的大颗粒振动流化床颗粒临界流化速度进行了实验研究。结果表明,振动的引入对颗粒临界流化速度有着明显的降低作用;同样床层条件下振动频率和振幅越大,床层临界流化速度越低;振动对小粒径颗粒的影响稍强于大粒径颗粒;由实验数据拟合出用于预测该类流化床临界流化速度的经验公式,公式与实验数据吻合良好。     

双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响

应用双流体模型CFD模拟的方法,从恢复系数和曳力两方面,研究了气固密相流化床中颗粒之间和气固相之间的相互作用对床内非均匀流动结构形成与变化的影响.计算结果表明颗粒间非弹性碰撞和气固间曳力的增大均使气固两相流动的非均匀性增大.通过比较二者对非均匀流动结构的影响,发现气固间曳力是形成非均匀流动结构的决定因素.从碰撞耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了二者的作用机理,发现恢复系数和曳力对流动结构的作用主要区别在于对颗粒团聚和床层膨胀的影响程度不同.     

飞灰颗粒与平板表面撞击过程的实验研究

以煤粉锅炉积灰过程为研究背景,在常温常压环境下对飞灰颗粒与平板表面撞击过程进行实验研究,分析飞灰颗粒入射法向速度对颗粒法向反弹速度的影响,以及飞灰颗粒粒径对临界捕集速度的影响。实验结果表明,飞灰颗粒粒径相同时,法向恢复系数随入射法向速度的增大先增大后平缓最后减小,在增大区域具有相当陡的斜率,反映了不同形式的力在不同阶段所占的比重不同;颗粒入射法向速度相同时,法向恢复系数随着颗粒粒径的增大而增大;而临界捕集速度随颗粒粒径的增大而减小。     

基于颗粒流运动论的喷动流化床气固流动行为三维模拟

1 INTRODUCTION Spout-fluid beds have been of increasing interest in the petrochemical, chemical and metallurgic indus-tries since spout-fluid beds can reduce some of the limitations of both spouting and fluidization by su-perimposing the two type of systems[1―4]. In recent years, spout-fluid beds have become an alternative for gas/solid contactors in coal gasification. Spout-fluid bed coal gasifiers have been adopted for APFBC-CC (advanced pressurized fluidized bed combus-tion-combined…     

CFD simulation and experiments of dynamic parameters in gas–solid fluidized bed

Particle and bubble motion plays an important role in determining the hydrodynamic characteristics of a fluidized system. The dynamic parameters of a fluidized bed are reflection of the complex correlation between particle–particle and particle–bubble in a system. A two-dimensional Eulerian–Eulerian model integrating the kinetic theory of granular flow is used to simulate the bubble and linear low density polyethylene (LLDPE) particle dynamic behavior in a gas–solid fluidized bed. The simulated method is validated by pressure fluctuation experiment. The computed vertical turbulent energy spectrum of particles is applied to identify the particle motion intensity and the inhomogeneity of turbulent energy dissipation. The energy spectrum captures the Levy–Kolmogorov law in inertial range at high frequency. Furthermore, the flatness factors of wavelet decomposition coefficients of particle fluctuation velocity are for the first time introduced to analyze the intermittence caused by coherent structures in the flow field. The results show that the intermittence in dissipation range is much stronger than that in energy-containing and inertial range, and reinforces rapidly as the radial distance and the bed height increase. Moreover, the acoustic emission (AE) energy is found to be able to indicate the flow regimes. By combing granular temperature and AE energy, the relationship between the spatial distribution of granular temperature and the flow regimes is established. To get more detail of bubble motion behavior, the power spectrum of voidage fluctuation is analyzed. This work provides valuable insights into the dynamic characteristics and the flow field information of a gas–solid fluidized bed by CFD simulation.     

粗糙颗粒动理学及流化床内气固流动的数值模拟

基于气体分子动理学和颗粒动理学理论,考虑颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,建立粗糙颗粒动理学。采用Chapman-Enskog颗粒速度分布函数,提出了颗粒相应力、热通量和颗粒碰撞能量耗散计算模型。采用欧拉-欧拉气固双相流模型,数值模拟鼓泡流化床内气体-颗粒两相流动特性。模拟结果得到了床内颗粒相速度和脉动速度分布,与Yuu等实验结果相吻合。分析不同的切向弹性恢复系数对颗粒相拟总温的变化规律,结果表明在低颗粒浓度时颗粒拟总温随切向弹性恢复系数而增加。     

基于粗糙颗粒动理学流化床内颗粒与幂律流体两相流动特性的数值模拟研究

在颗粒动理学理论（KTGF）的基础上,通过引入表征粗糙颗粒摩擦和切向非弹性的切向弹性恢复系数β,以及综合反映颗粒平动和旋转运动脉动强度的颗粒拟总温e₀,结合输运理论建立了考虑颗粒旋转作用的颗粒相质量、动量和颗粒拟总温守恒方程。并在求解了同时具有平动和旋转运动的能量耗散和颗粒相应力等参数的前提下提出了颗粒相压力、剪切黏度和能量耗散等本构关系式以及边界条件,最终得出了粗糙颗粒动理学理论（KTRS）。通过改变液相的流变特性,分析了幂律流变模型中流动指数n和稠度系数K_l对流化床内流固两相流动特性的影响,模拟结果表明：随着流动指数和稠度系数的增大,液相湍动能耗散率逐渐增大,而颗粒相压力逐渐减小,颗粒旋转先增大后减小。