鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟

鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中,而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键.在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构,而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差.基于此,以气泡作为介尺度结构,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.结合双流体模型,对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究,分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律.研究表明,与传统的曳力模型相比,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带,建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系.通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现,考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果.通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现,A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.      

INVESTIGATION INTO MALDISTRIBUTION IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED

1. Introduction The design of gas distributor has a major influence on gas flow patterns, dumping and dead zones. It has been demonstrated that maldistribution will occur if the distribu-tor has a low pressure drop, that is, some parts of the bed will receive much less gas than others, and may be tem-porarily or permanently defluidized, while the gas forms semi-permanent spouts or channels in other parts. There-fore, maldistribution is undesirable in industry. For example, the temperature in a…     

推移质输沙量的计算及其应用

基于推移质输沙率与水流动力条件之间的关系,提出了一种计算年平均推移质输沙量时,代表性水流动力条件的选择方法,同时将断面分为若干子断面进行计算,可以解决推移质沿断面不均匀输移的计算困难,计算过程中还考虑了推移4质级配的逐时变化。所提出的计算方法应用于黄河青铜峡水库,计算了年平均推移质量,结果与实测淤积量符合很好。     

固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。     

空泡溃灭及空化噪声研究综述

本文从理论分析,数值计算,试验研究三方面对国内外空泡溃灭,空化噪声研究的最新进展及动态作了一简单的回顾,针对自己做的水翼及轴对称头体空化噪声试验结果,提出了一些尝试性解释。     

环形喷管喷口气泡演化的实验研究

水下气泡的发展演化及气泡动力学行为是气液两相动力学的基础理论与水下射流应用的重要基础. 环形喷管/喷口形成的气泡及气体射流具有其不同于圆孔实心射流的特殊表现与规律机制,随着同心筒破水发射等特殊应用的出现,环形喷口气体射流/泡流的基础现象观测和机制分析成为迫切的需求. 基于环形喷管的设计和水下射流条件的分析,设计建立了一套环形喷管水箱实验系统,对水下环形喷管喷口气泡发展演化过程进行了初步的实验研究. 为观测研究气体通过环形喷管气泡生长发展过程,在较低压力、较低流速下,采用高速摄影仪记录气泡生长及发展演化过程. 结合对气泡发展演化过程的图像处理与分析,研究分析了环形喷口气泡形成区制、气泡生长过程形态发展特点、以及气泡形成时间及气泡体积变化特点. 研究表明:在本实验气体流量范围内(50.8~237.3 dm3/min),环形喷口气泡发展演化过程呈现较为明显的三周期区制,前泡尾流影响是环形气泡呈三周期区制的主要原因;不同周期内的气泡形成时间具有较稳定规律,并受到流量影响;气泡生长过程中有较为明显的下沉、回升特征;气泡表面张力、液体惯性与流动的共同作用,造成了典型的气泡顶部坍塌现象.      

可压缩流场中气泡脉动数值模拟

在应用边界元方法对气泡动力学的研究中, 绝大多数模型是建立在不压缩势流理论基础之上, 针对可压缩流场中气泡运动特性的研究很少. 从波动方程出发, 分别在气泡运动前期和后期对波动方程进行简化, 得到气泡运动局部和全局简化方程, 采用双渐进方法对简化方程进行匹配, 提出了考虑流场可压缩性的非球状气泡运动模型. 该模型的计算结果与Prospertti 等的解析结果吻合很好, 气泡脉动最大半径和内部最大压力随气泡脉动逐渐减小. 基于该模型对比了自由场中药包爆炸考虑可压缩性与不考虑可压缩性的计算结果, 发现考虑可压缩性气泡射流速度较小, 随后基于该模型计算了刚性边界下气泡的运动特性.     

圆锥泡声致发光气泡动力学过程的理论分析

在绝热压缩模型的基础上, 详细讨论了圆锥泡声致发光中气泡运动的动力学过程,得到 了气泡塌陷速度方程、气泡内压强方程以及温度方程. 结果显示在气泡进入圆锥腔的初始阶 段,气泡的塌陷速度随着压缩半径的不断减小近似线性地增加;然后随着压缩半径的进一步 减小,气泡塌陷的加速度逐渐减小;当气泡塌陷速度达到最大值后,随着气泡压缩半径的 进一步减小, 塌陷速度迅速下降至零. 在假设初始气压为1000\,Pa的基础上,理论分析 得到气泡的最高塌陷速度可以达到5.8\,m/s; 气泡的最小压缩半径可以达 到1.37\,cm, 相应的气泡内极限压强超过$4.5\times10^5$\,Pa, 极限温度超 过3\,150\,K, 而液流能够提供给气泡的能量达到0.02\,J. 理论推导得到的结果 可以比较好地用来解释实验中的现象. 最后分析得到气泡内的初始气 压对气泡所能达到的极端条件有着重要的影响.     

台阶式并行微通道内气泡群自组装行为及其对气泡生成的反馈效应

台阶式微通道乳化装置因易于高通量生产均一性的气泡及液滴而受到关注.本文利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道装置空腔内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应.实验设计的操作变量为气液相进出口位置、气相流速和液相流速.在实验操作范围内,共发现了气泡的单管生成模式和多管生成模式.研究了空腔内气泡群复杂行为随操作条件的变化趋势.发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格.晶格结构与气相压力密切相关;同时,气泡界面能量随着气相压力的增大而增大.运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应.以变异系数CV来表示气泡的均匀性特征,考察了气泡晶格自组装行为的控制因素.结果表明:气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定,有序的三角晶格变异系数小于5%,无序的三角晶格变异系数大于5%.     

壁面约束对裙带气泡动力学的影响

基于流体体积法(volume of fluid,VOF),数值模拟了装满黏性液体的圆柱形汽缸中的裙带气泡的浮升运动,研究了侧壁面约束对裙带气泡浮升动力学的影响.用雷诺数(Re)、韦伯数(We)、长宽比(χ)、裙带厚度(T/d)和裙带长度(L/d)等参数来表征不同约束比条件下(1.1≤Cr≤10)裙带气泡的运动和变形特性,分别在全局参考系和局部参考系下分析了壁面对气泡内外流场的影响.模拟结果显示,当Cr≥8时,裙带气泡的行为特性与在无界流域条件下的情况相当,可视作壁面无关的.当Cr8时,壁面对裙带气泡的浮升速度和形状演化有显著影响.随着壁面的靠近,裙带气泡受到的阻力增大,造成浮升速度下降.约束比降低使裙带厚度增厚而长度变短直至裙带消失,裙带气泡受挤压而被拉长并逐渐变为椭圆球帽形最后到子弹形.相反,约束比增大时,裙带气泡尾流效应增强,气泡边缘处流场产生明显的循环流动(涡环),促使裙带的形成.研究表明壁面会加剧裙带气泡产生破碎,印证了前人的推断.模拟结果与已有的经验公式吻合良好,分析了前人公式的适用性.     

NUMERICAL PREDICTION OF TWO-PHASE FLOW IN BUBBLE COLUMNS

A numerical model is described for the prediction of turbulent continuum equations for two-phase gas–liquid flows in bubble columns. The mathematical formulation is based on the solution of each phase. The two-phase model incorporates interfacial models of momentum transfer to account for the effects of virtual mass, lift, drag and pressure discontinuities at the gas–liquid interface. Turbulence is represented by means of a two-equation k–ϵ model modified to account for bubble-induced turbulence production. The numerical discretization is based on a staggered finite-volume approach, and the coupled equations are solved in a segregated manner using the IPSA method. The model is implemented generally in the multipurpose PHOENICS computer code, although the present appllications are restricted to two-dimensional flows. The model is applied to simulate two bubble column geometries and the predictions are compared with the measured circulation patterns and void fraction distributions.     

Basset力对液体中易溶性气泡运动的影响

为从理论上分析Basset力对液体中易溶性气泡运动过程的影响, 综合考虑气泡上浮速度和传质速率间的耦合关系, 构建了适于描述易溶性气泡上浮过程的动态耦合模型. 利用该模型对氨气鼓泡吸收过程的计算分析表明, Basset力对易溶性气泡运动行为影响显著. 为此, 又提出了衡量Basset力对气泡运动全过程影响大小的评价指标(无量纲$\eta $数)及其算法. 基于上述模型和指标对水中气泡上浮过程的分析表明: 气体溶解度系数$H$对Basset力影响气泡运动的强度具有决定性作用, 当气泡内气体的$H<10^{-4}$时, 可以忽略Basset力的影响, 而当$H>10^{-4}$时, Basset力的影响迅速增强, 不应忽略; 且气泡半径越小的, Basset力的影响越显著; 而气泡所处深度与Basset力的影响强度关系不大.      

缓变主流中三维气泡的非线性振动

空化现象和水下噪声机制与液体中气泡的动力学行为密切相关．在无粘势流的假定下，采用多参数摄动分析，研究了缓变主流中三维气泡的非线性体积模态振动．推导了关于缓变泡形展开的各阶扰动方程，获得了一阶振动的演化方程和一些特殊情况下的解析解；并采用高阶有限元离散的边界积分方程方法，对平面固壁和自由面附近三维气泡的固有频率进行了数值计算     

图像技术在非均匀布风流化床颗粒运动分析中的应用

通过实验得到了非均匀布风流化床内示踪颗粒在床层内的运动历程,以及床层内颗粒的浓度分布随时间的变化,并发纳得到颗料在非均匀布风的内旋流流化床中不同区域的扩散系数,内旋流流化床颗粒的纵向扩散系数和横向扩散系数大小相近,横向扩散系数明显大于均匀布风的鼓泡床的横向扩散系数,具有较好的横向扩散特性,有利于使流化床内横向不均匀的状况得到改善。     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

南京附近古砾石层的地质特征与工程力学性质

南京附近的古砾石层是该地区新生代重要地层之一。本文侧重研究它的某些地质学特征、物质成分、成土-成岩作用及工程力学特性。     

材料动态断裂碎片特性的理论描述

考虑裂纹间相互卸载作用,引入最小尺寸碎片概念。同时,假设断裂成核点随机分布于样品中,依据统计原理导出了一组完备的方程组,由此从理论上给出了碎片的数目及其大小分布关系式。与金属圆柱形壳体和圆环的膨胀破坏实验结果比较表明,该方程组对实验结果具有很好的预测能力。     

四川盆地红层砂泥岩循环加卸载动力学特性研究

四川地震多发,广泛分布于该区域的红层岩石的动力学是许多重大工程建设和运营安全的重要影响因素。因此,本文针对3种典型红层砂泥岩（粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩）,开展了不同动应力幅值的单轴循环加卸载试验,结果表明：在相同动应力幅值下,粉砂质泥岩与细砂岩的滞回环相对面积、阻尼比、阻尼系数及泥质粉砂岩的滞回环相对面积、阻尼比均随着循环周次呈对数递减,而泥质粉砂岩的阻尼系数随着循环周次呈开口向下的二次多项式分布;在相同循环周次下,随着应力幅值增大,滞回环相对面积均呈指数递增,粉砂质泥岩和泥质粉砂岩的阻尼比呈指数递增,阻尼系数呈开口向下的二次多项式分布,细砂岩的阻尼比和阻尼系数均呈对数递减。

     

MULTIFRACTAL ANALYSIS OF PARTICLE-FLUID SYSTEM IN A CIRCULATING FLUIDIZED BED

In this paper, multifractal analysis together with wavelet transform modulus maxima (WTMM) method is used to analyze the fluctuating signals of circulating fluidized bed (CFB). Singularity spectrum shows that the gas-particle flow in CFB has multifractal character. Motion behavior of the particle-fluid system of CFB can be described by singularity spectrum. Intermittency index can be used to determine the transition of flow regime from fast fluidization to pneumatic conveying.     

A CORRELATION EQUATION FOR CALCULATING INCLINED JET PENETRATION LENGTH IN A GAS-SOLID FLUIDIZED BED

Numerical simulation of gas-solid flow in a two-dimensional fluidized bed with an inclined jet was performed. The numerical model is based on the two-fluid model of gas and solids phase in which the solids constitutive equations are based on the kinetic theory of granular flow. The improved ICE algorithm, which can be used for both low and high-velocity fluid flow, were used to solve the model equations. The mechanism of jet formation was analyzed using both numerical simulations and experiments. The emergence and movement of gas bubbles were captured numerically and experimentally. The influences of jet velocity, nozzle diameter, nozzle inclination and jet position on jet penetration length were obtained. A semi-empirical expression was derived and the parameters were correlated from experimental data. The correlation equation, which can be easily used to obtain the inclined jet penetration length, was compared with our experimental data and published correlation equations.