稠密气固两相流中颗粒团运动的DEM模型研究

颗粒聚集成团是稠密两相流动中的基本现象．本文直接以颗粒团为研究对象,建立了颗粒团运动的DEM软球模型,具体给出了稠密气固两相流中颗粒团大小的计算表达式,建立了非球形颗粒团运动、接触碰撞及破碎模型,并将此模型用于模拟一循环流化床内稠密气固两相流动,得到了流化床内颗粒团详细的运动碰撞经历及浓度、粒径分布,所得结果合理,与前人实验值相符．另外,计算表明,采用颗粒团运动的DEM软球模,能使计算量有效减少,计算时间明显缩短,说明本模型可有效地用于工程意义上的稠密气固两相流问题的模拟。     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

中温循环流化床烟气脱硫基础-曳力模型与流动的数值研究

为了准确模拟中温烟气脱硫的循环流化床(CFB)反应器内的脱硫过程,本文首先采用欧拉双流体方法研究了床内的稠密气固两相流动,讨论了表征气固两相相互作用的关键参数-曳力模型,并对适于均匀流动的经典曳力模型进行了颗粒团聚所致的非均匀效应的修正.计算的床内存料量和总压降与实测值之间的误差均小于5%.本研究为中温脱硫过程的优化和降低能耗奠定了流体力学基础.     

湍动流化床内气固两相流动特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,颗粒动理学方法模拟颗粒脉动流动和κ-ε双方程模型模拟气相湍流流动,考虑气固两相间耦合作用,数值模拟湍动流化床内气固两相流动行为,获得颗粒浓度和颗粒速度分布.计算结果表明湍动流化床呈现下部密相区、上部稀相区的颗粒分布特性.在密相区,沿床径向方向颗粒浓度在床中心处低、壁面逐渐增高;在稀相区颗粒浓度分布较均匀.沿轴向方向颗粒浓度呈底部浓度高、顶部浓度低的"S"型分布.     

颗粒数方程的求解及流化床数值模拟

流化床内颗粒聚并和破碎将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉一欧拉气固多相流模型,利用直接矩积分方法求解颗粒数平衡方程,建立颗粒数密度与连续性方程、动量方程之间的关系,数值模拟流化床内两种不同直径颗粒发生聚并时气固两相流动特性。计算结果表明,颗粒聚并伴随着床内颗粒直径逐渐增大,床内颗粒流化状态逐渐变为固定床状态,两种颗粒直径均增加,且小颗粒的体积分数逐渐减小、大颗粒的体积分数增加。当仅考虑聚并过程时增加流化速度将导致床内颗粒体积平均直径变大。随着颗粒密度减小,床内体积平均直径增加。     

喷动流化床的数值模拟研究

本文借鉴 Ｃｕｎｄａｌｌ＆ Ｓｔｒａｃｋ提出的碰撞模型,将欧拉方法和拉格朗日法结合起来,建立了喷动流化床气固两相流动的数学模型,在计算机上对试验台进行了模拟,探讨了床内颗粒的运动特征。按１：１的比例建立了喷动流化床的模型试验台并进行了试验,对模拟结果和试验结果进行了比较与分析。颗粒在喷动床内的运动特征,模拟结果都能够再现出来,模拟结果与试验结果取得了很好的一致性。     

喷动床内纳米颗粒气固两相流动的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,颗粒动理学理论模拟颗粒相流动,采用周涛和李洪钟(1999)的力平衡模型预测纳米颗粒聚团尺寸,对喷动床内纳米颗粒聚团流化过程进行了数值模拟,得到了喷动床内纳米颗粒聚团的流化过程,获得喷射区和环隙区内颗粒相速度和浓度分布。分析了喷动床结构和进口气体速度等对纳米颗粒聚团流化特性的影响。由于纳米颗粒的特殊性质,不易形成喷泉区。适当的喷动床结构和进口气体速度有助于形成稳定喷动。     

管内气固两相流动的实验和模拟计算

本文基于气固两相流动模型计算循环流化床内的流动．颗粒动理学方法模拟颗粒相湍动．采用γ-射线密度计和非等速取样管测量局部颗粒浓度和流率,利用FFT方法计算颗粒浓度功率谱密度．模拟计算得到上升管内气相和固相速度和浓度分布等．数值模拟计算与实验结果相吻合．     

用数值模拟对循环流化床颗粒分离特性的研究

针对循环流化床铁矿粉烧结技术中的关键问题,用离散颗粒数值模拟方法对不同密度床科颗粒在床内的分布进行了数值模拟。数值模拟将气相场和离散颗粒场分别用欧拉方法和拉格朗日方法进行处理,在每一时间步长内对气相场和离散颗粒场的相互作用进行耦合,得出了石英砂和铁矿粉混合床料在循环流化床内的分离规律。数值模拟结果与国外相同研究的实验结果进行了对比,验证结果表明本文所得到的模拟结果具有较高的准确性。     

基于非均匀曳力模型的CFB循环特性研究

为了给工业级循环流化床(CFB)煤气化反应器的运行调试提供有效的参考依据,在操作参数之一——颗粒质量循环流率Gs未知的情况下,本文采用具有宽工况普适能力的QC-EMMS非均匀曳力模型和欧拉-欧拉数值方法,模拟了提升管内的气固两相流动,准确给出了该装置的循环特性,即不同流化风速下颗粒质量循环流率Gs与床存量的关系曲线,揭示了实际过程中可能存在的A类噎塞现象,以及发生噎塞前后,床内颗粒浓度分布的变化规律。研究表明,欧拉方法和QC-EMMS模型可在各类大型CFB系统运行的改进、放大和优化中发挥应有的重要作用。     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律

气体相与颗粒相混合流场的声速研究, 由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景, 逐渐受到人们重视. 针对稠密可压缩气粒两相流动, 综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用, 推导给出了新的等熵声速计算公式; 新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例, 一方面验证了公式推导的正确性, 另一方面说明新公式更具有通用性; 分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律, 相应结果与普朗特的理论分析符合, 特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识; 开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析, 揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理. 本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.     

炉顶凸起对6分离器CFB气固流动的影响

本文在6分离器CFB冷态试验台上,研究了炉顶凸起空间对气固流动的影响。利用差压法测量炉膛颗粒浓度轴向分布,采用光纤探针测量不同位置的颗粒浓度和速度的径向分布,通过积料法测量6分离器的颗粒循环流率。通过试验结果的分析,得到炉顶凸起空间内的颗粒运动特性,以及不同凸起高度时的炉膛环核流动特性和颗粒外循环特性。本文的研究对大型多分离器布置CFB锅炉的结构优化设计具有参考意义。     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

循环流化床气固曳力模型

气固曳力是稠密气固两相流动,尤其是垂直流动中的主要作用力,相应的模型也是数值模拟中准确描述气固两相运动的关键.为了解决现有经验或半经验模型的普适性问题,合理描述流动中经常发生的颗粒团聚现象及其对气固曳力的影响,从理论分析入手,运用最小能量的概念,将传统的CFD方法与宏观的系统分析方法相结合,建立了一个新的计及颗粒团聚效应的气固曳力理论模型.与现有模型相比,新模型不仅具有相同的函数变化关系,可合理地描述气固两相相互作用的物理过程,而且避免了以往经验系数不准确导致的各种误差,为稠密气固两相流动的数值描述提供了重要依据.     

Numerical simulation of instantaneous flow structure of swirling and non-swirling coaxial-jet particle-laden turbulence flows

A subgrid scale two-phase second-order-moment (SGS-SOM) model based on the two-fluid continuum approach is presented for the analysis of the instantaneous flow structures of swirling and non-swirling coaxial-jet particle-laden turbulence flows. Since the interaction between the two-phase subgrid scale stresses and the anisotropy of two-phase subgrid scale stresses is fully considered, it is superior to the conventional subgrid scale model on the basis of single gas phase or together with their similar forms for the particle phase for not taken these characters thoroughly into account. The swirling numbers s=0.47 and s=0 of coaxial-jet particle-laden turbulence flows (measured by M. Sommerfeld, H.H. Qiu, Detailed measurements in a swirling particulate two-phase flow by a phase Doppler anemometer, Int. J. Heat Fluid Flow 12 (1991) 20-28) are numerically simulated by large eddy simulation using this model, together with a Reynolds-averaged Navier-Stokes model using the unified second-order-moment two-phase turbulence model (RANS-USM). The instantaneous results show that the multiple recirculating gas flow structure is similar to that of single-phase swirling flows; but the particle flow structure contains less vortices. Both SGS-SOM and RANS-USM predicted that the two-phase time-averaged velocities and the root-mean-square fluctuation velocities are validated and are in good agreement with the experimental results. It is seen that for the two-phase time-averaged velocities both the models give almost the same results, hence the RANS-USM modeling is validated by large eddy simulation. For the two-phase root-mean-square fluctuation velocities the SGS-SOM results are obviously better than the RANS-USM results.     

两相湍流统一色噪声法概率密度函数模型

统一色噪声近似方法对简单一维色噪声问题研究较为充分, 本文将统一色噪声法应用到高度复杂的多维气固两相湍流系统之中.首先从颗粒运动Langevin方程出发, 利用统一色噪声法获得两相湍流Fokker-Planck方程, 然后以此为基础建立颗粒轨道两阶矩模型.文中建立的新模型成功应用于后台阶两相湍流流场的数值模拟, 预报合理正确.研究表明, 对于多维两相湍流系统, 统一色噪声法仍然行之有效.     

CFB不同密相区形状对固态医疗垃圾颗粒运动特性的影响

提出了不同密相区结构形状(球形、椭球形、方形体)的固态医疗垃圾循环流化床(SMW-CFB),并针对SMW-CFB各段特征,对循环流化床不同密相区形状对固态医疗垃圾颗粒运动特性的影响进行了数值研究,结果表明:密相区为球形体结构比其它结构形状密相区更易出现回流.密相区不同形状时,颗粒运动进入分离器的时间不一样.固态医疗垃圾颗粒在循环流化床内,直径在大于3.5 mm的垃圾颗粒,随烟气上升到一定高度后,落回密相区,而直径小于3.5 mm的颗粒随烟气一同进入分离器,分离器可以捕集直径大于0.025 mm的颗粒,直径小于0.025 mm的颗粒由排气管排出.球形和椭球形密相区有助于垃圾颗粒与风充分混合接触,有利于垃圾颗粒的燃烧.     

Numerical and Analytical Approaches to Modeling Critical Two-Phase Flow with Granular Layer

Based on data obtained in the previous experimental study conducted by the authors, two approaches are proposed for analytical and numerical modeling of a critical two-phase flow in a pipe with a granular layer. An analytical approach is based on a polytrophic model, while a numerical approach was developed using a smoothed particle hydrodynamics method. A model of isenthalpic flow of vapor–water mixture in a fixed bed of solid particles is considered is this study. The mixture expansion process is considered to be polytropic. Similarly to the known problem of gas dynamics of a granular bed, an analytical relationship for calculation of a critical mass velocity was obtained. The results of the calculation based on the analytical and numerical models were compared with the experimental data and agreement between analytical and numerical data and the experiment was observed.