高速摄影法测量圆盘状颗粒曳力系数的方法研究

曳力系数是表征气固相互作用的基础性参数之一。常规的曳力系数测量主要采用重力沉降法,只适用于重颗粒、且表面光滑密实的情况,并不适用于像生物质这类非球形、轻质颗粒的曳力系数的测量。本文介绍一种非球形、轻质颗粒曳力系数的高速摄像测量方法,基于颗粒视频、图像的处理方法,分析在测量区域内颗粒的受力大小和迎风截面的变化.应用该方法测量两种典型球形、圆盘状颗粒的曳力系数,实验结果表明球形颗粒的测量结果与标准曳力曲线预测的结果变化趋势一致;对于圆盘状颗粒,其测量结果与非球形颗粒曳力系数的Hoizer经验公式计算值相比,存在20%的平均误差。     

形状渐变的颗粒与沉降液的相互作用

工业过程中存在大量的含非球形颗粒的多相流动,研究这类颗粒与流体的相互作用有重要的应用价值。本文选择底面为方形、形状随边长和高度规律变化的长方体颗粒,采用单颗粒沉降法测量了曳力系数,研究了形状变化、材料密度和沉降液黏度的影响。发现曳力系数在整个颗粒Re_p数范围(0.05～6300)内均高于球形颗粒,特别是采用阿基米德数Ar与Re_p数可揭示出所有数据的内在规律,提出了适用于这类长方体颗粒所有形状的统一曳力模型。     

基于Fourier描述子方法的颗粒形状及曳力模型研究

如何准确地描述非球形颗粒的形状是研究这类颗粒的普适性曳力模型的关键.本文引入了FD方法,确切地表征r底面为不同形状的正多边形和圆形的柱状颗粒的形状和相互间的差异,建立了用于改进非球形曳力模型适用性的形状阵列.正多边形系列的沉降关系之间的平均差异与FD方法获得的形状差异之间存在着幂函数关系,表明FD方法获得的形状差异能够...     

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。     

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。     

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。     

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.     

纳米颗粒团聚物流化特性的数值研究

基于气固两相流体动力学理论,建立气体纳米颗粒团聚物两相流动双流体模型.模型中采用了Jung ＆ Gidaspow (2002)测量的固相应力模量和王垚等(2001)提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒团聚物的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒团聚物的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

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.     

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。     

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。     

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.     

近壁球形颗粒的曳力特性研究

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒所受曳力的影响规律和机制。当壁面动量适应系数为零时,近壁效应消失;当壁面温度高于气体温度时,近壁效应使得颗粒所受曳力增大;当壁面温度低于气体温度且颗粒速度较小时,可能出现曳力方向与颗粒运动方向相同的情况。     

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。     

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。     

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.     

超临界水中颗粒受Stefan流影响的数值模拟研究

超临界水气化(SCWG)技术由于其清洁及高效性而具有广阔的应用前景,反应过程中颗粒表面的Stefan流动不可忽略。本文主要开展在雷诺数10～200范围内的不同Stefan流方向以及强度对超临界水绕流固定球形颗粒的曳力以及传热过程影响的研究,同时对颗粒周围的流场以及速度和温度边界层进行了分析,结果表明,随着内向Stefan流强度的增大,曳力系数与努塞尔数均呈现增大的趋势,速度与温度边界层的厚度均呈现减薄的趋势;随着外向Stefan流强度增大,以上结论呈现相反趋势。     

循环流化床提升管内气固流动的三维数值模拟研究

采用双流体模型结合基于流动结构的EMMS曳力模型,对一方形截面循环流化床提升管在同一操作气速、不同固体流率下的两种工况进行了三维数值模拟研究。得到了提升管内气固流动的三维浓度分布,并对比了二维模拟的结果。验证了EMMS曳力模型对于快速流态化三维模拟的适用性。     

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。     

流化床非球颗粒混合的形状效应研究

本文建立了横截面200 mm×200 mm,高1200 mm三维冷态流化床实验装置,实验研究非球颗粒形状效应对其混合特性的影响.针对异型颗粒外形差异和尺寸区别,分别设计两组实验,从固体废弃物颗粒特性方面研究其在流化床内的混合规律,重点考察了颗粒自身形状、尺寸对混合质量的影响,并结合颗粒混合动态过程进行研究.结果表明,颗粒球形度越大,在流化床内混合质量越好;密度较大的非球颗粒,其混合质量受形状影响更加明显;非球形颗粒种类增加,混合质量变差,流化气速的适当提高可改善混合质量;低密度非球颗粒及其混合物在床内混合表现出浮升组分特性,受形状影响不明显.