T型突变出口提升管气固流动的数值模拟研究

循环流化床提升管内气固流动不仅受操作工况的影响,还与出口结构密切相关.本文应用双流体模型结合EMMS曳力模型,对T型突变出口提升管内两种工况的气固流动进行了二维模拟.模拟得到的轴向固体浓度分布和实验值符合较好.验证了EMMS曳力模型对于快速流态化气固不均匀流动模拟的适用性.     

超临界水循环流化床两相流动特性的数值模拟

超临界水循环流化床是一种非常有应用前景的新型煤气化制氢反应器。本文基于双流体模型和颗粒动力学理论建立了超临界水循环流化床提升管两相流动特性的数值模型。考虑了两种曳力模型及湍流与层流模型对数值模拟结果的影响。研究结果表明EMMS曳力模型比Gidaspow曳力模型更适用于二维提升管两相流动的数值模拟,并发现层流模型预测的准确性优于湍流模型。基于上述模型,对比分析了气固与超临界水循环流化床提升管的流动特性,获得了表观流速对固相体积分数、颗粒轴向速度的影响规律。     

高密度CFB提升管内气固两相曳力修正模型及冷态实验验证

通过实验和模拟方法考察了高气速,高固体通量循环流化床提升管内B类颗粒的流动情况.根据EMMS(energyminimization multi-scale)理论提出了改进的曳力修正表达式,同时与传统的曳力模型如Gidaspow,O'Brien-Syamlal,Koch-Hill-Ladd的计算结果进行了比较.结果表明:使用本文提出的修正曳力模型的计算模拟结果与实验值得到了较好的吻合.     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

稠密气固两相QL-EMMS曳力模型及改进

通过引入颗粒加速度,改进现有EMMS曳力模型中的颗粒受力平衡关系,耦合流动的整体参数、局部参数与曳力,提出了基于流态化多尺度最小能量原理的QL-EMMS曳力模型.实验检验表明,模型精度高,普适性好.进一步采用O-S经验曳力模型的单峰函数,修正了颗粒团直径公式,改进后的QL-EMMSn模型更加合理地体现了非均匀曳力变化的...     

提升管喷嘴进料段内气固两相流动的数值模拟

本文采用κ-ε-κ_p-κ_(pg)-θ模型,模拟了提升管喷嘴进料段内三维稠密气固交叉射流的复杂流动现象.结果表明,实验值和模拟值具有相同的变化趋势,再现了提升管喷嘴进料段内颗粒相的流动特点.     

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.     

液固流化床流动特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,结合k-ε模型模拟液相湍流流动和颗粒动理学方法模拟颗粒流动,考虑流固相间作用曳力和虚拟质量力,建立两相流动模型方程和本构关系。模拟结果表明入口速度和曳力模型对液固流动都有一定的影响。选用不同的曳力模型,对模拟结果中固含率的径向分布影响较大,甚至改变了固含率径向分布趋势,同时分析了虚拟质量力对液体-颗粒流动分布的影响。     

介尺度非均匀曳力模型的流动自适应性研究

曳力模型对流态化模拟的准确性起着决定性作用。现有的非均匀曳力模型能否普遍适用于各种流态化操作条件还缺乏深入研究。本文基于多尺度最小能量理论和对流态化过程中介尺度结构特性的深入认识,提出了新的非均匀曳力模型(QC-EMMS模型),并开展了模型的流动自适应性研究。通过引入非均匀因子Ψ,表征颗粒团特性参数(固含率)随操作条件的变化,引入基于整体气固滑移速度的状态雷诺数,表征随操作条件的变化而呈现不同非均匀度的流化状态,建立了宏观操作参数与局部曳力和颗粒团特性之间的关系,实现了模型的流动自适应性。经实际工况验证,该曳力模型具有较高的计算精度和良好的网格无关性。     

气固鼓泡床的全尺度直接数值模拟

颗粒全尺度直接数值模拟由于不引入任何相间作用力封闭模型、同时又考虑了颗粒相与流体相之间的四向耦合,因而具有极高的计算精度和准度。本文采用内嵌边界多重直接力算法结合软球碰撞模型对实验室尺度的气固鼓泡流化床装置进行了全尺度直接数值模拟。计算结果真实还原了鼓泡流态化的流动情形,且能有效地捕捉装置内部流场的详细运动情况和涡结构。对流化床内颗粒在传统的离散元模型框架下进行曳力统计发现,平均曳力比全尺度模拟结果小约20%~30%。其具体数值因选取比较的曳力模型和统计网格而异。改进传统曳力模型需考虑颗粒群的非均匀性以及颗粒拟温度。     

基于拟颗粒的气固两相曳力模型研究

为了研究气固两相流动大涡模拟中合适的曳力计算模型,本文引入拟颗粒和拟颗粒表面能的概念,通过拟颗粒表面能与外界输入能量之间的平衡关系来确定拟颗粒的粒径。根据拟颗粒粒径,得到运算量较小且考虑颗粒团聚效应的曳力计算模型。应用本文的曳力计算模型对二维竖直槽道内稠密气固两相流动进行了大涡模拟,结果表明颗粒的浓度分布具有上稀下浓,壁面附近浓中心稀及颗粒聚集等特点。这与实验结果在定性上是一致的。对气相和颗粒相的瞬时速度场进行了分析,发现气相和颗粒相速度场分布的非对称性是形成颗粒浓度分布壁面附近浓中心稀的重要原因之一。     

喷动床气固流动特性的三维CFD-DEM数值模拟

开展了柱锥形气固流动特性的CFD-DEM耦合三维数值模拟研究。气相场采用基于欧拉坐标体系的k-ε双方程湍流模型,固相场采用基于拉格朗日坐标体系的DEM直接数值模拟方法,跟踪离散颗粒场的每一个颗粒,考虑颗粒与颗粒(壁面)之间的碰撞力、曳力、重力、Magnus升力、saffman升力。颗粒之间的碰撞采用Hertz-Mindlin无滑移模型计算。模拟对象为柱锥形喷动床,其直径为0.152 m,喷口直径为0.019 m,模拟颗粒数22万,探讨了喷动床中射流随时间的发展,不同气速下床内气固流动结构,以及颗粒速度与颗粒浓度的分布,并与实验数据进行了对比。     

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.     

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。     

基于人工神经网络模型的非球形颗粒曳力系数预测

本文通过人工神经网络预测方法对非球形颗粒气固曳力系数进行了预测及分析。首先比较了BP(Backpropagation)神经网络模型和RBF(Radical Basis Function)基神经网络模型对Pettyjohn和Christiansen等人实验工况中的结果进行了预测。结果表明,采用RBF方法预测非球形颗粒气固曳力系数误差较小,计算效率较高。同时,应用RBF基神经网络模型,对不同形状因子下的气固曳力系数进行了预测和分析。研究结果表明,人工神经网络可以用于非球形颗粒气固曳力系数的预测研究,本文研究结果为复杂形状颗粒气固曳力系数的预测提供了一种有效的手段。     

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。     

非牛顿流体液滴袋状破碎的数值模拟研究

本文利用简化的水平集–流体体积耦合算法(S-CLSVOF)及自适应网格加密技术,对非牛顿流体液滴袋状破碎过程进行三维数值模拟。基于Herschel-Bulkley型非牛顿流体模型,计算分析了在不同韦伯数下液滴袋状破碎的形变程度、气液界面发展过程及曳力系数变化趋势。结果表明:在低奥内佐格数下的液滴袋状破碎过程中,非牛顿流体相较于牛顿流体在破碎后出现了较为明显的液丝。而随着韦伯数增大,非牛顿流体液滴在流向与径向上的形变程度加剧,曳力系数增大,气液界面变化显著。     

高密度循环流化床三维全场数值模拟

对不同提升管出口结构的高密度循环流化床全场气固流动进行三维数值模拟,气相采用LES湍流模型,固相采用MP-PIC方法。系统地考察了五种不同的提升管出口条件对固体循环通量、系统压力分布和颗粒浓度和速度分布的影响。结果表明,出口结构对提升管出口处的固体循环通量、出口局部压损和出口附近颗粒浓度分布均有明显影响;与其余四种出口条件相比,采用C型光滑出口,可以使循环流化床获得更高的固体循环通量和提升管颗粒浓度;在单侧出口条件下,高通量提升管颗粒浓度呈现径向非对称分布,颗粒速度径向分布在出口附近也有明显减小。     

过渡区内纳米颗粒的曳力特性模拟研究

在过渡区内,关于纳米颗粒曳力计算及输运特性的研究较为困难,通常会采用一些近似方法,将自由分子区或者连续介质区的理论计算式进行修正,以适用于过渡区,但是其准确性值得商榷.本文基于分子动力学模拟方法,研究了过渡区内纳米颗粒的曳力特性,并与相关理论进行对比.结果表明,气-固分子间相互作用对纳米颗粒的曳力具有显著影响.当气固结合强度较弱时,理论计算结果与分子动力学模拟值吻合较好;当气固结合强度较强时,分子动力学模拟结果明显大于理论值,这是由于气体分子在纳米颗粒表面的吸附所导致.基于气体分子在颗粒表面的吸附特性,提出引入有效颗粒半径修正,其过渡区内曳力的理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

四角喷燃炉膛内湍流三维气相燃烧和气固两相流动的数值模拟

目前,已建立的绝大多数炉内三维数值模拟都以颗粒轨道模型为基础。颗粒相连续介质模型已成功地应用于模拟气固两相射流及煤粉燃烧室内的三维气固两相流动。本文将它应用于四角喷燃炉膛内流动的模拟,作为炉内粉煤燃烧全过程数值模拟的第一步。