基于CFD-DEM算法的气力输送气固两相流特性分析

超轻粉体颗粒由于质量较小,在运输过程中易受气流扰动而飘散,物料的管道气力输送过程不稳定,易发生堵塞。为了研究超轻粉体颗粒在旋流气力输送中气固两相流流动特性,采用计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM),对Komax型静态混合器内气固两相流动特性进行数值模拟研究。研究发现,带有Komax型元件的水平管道可以改变颗粒的流动情况,改善了水平管道内颗粒堆积和分布不均匀的现象;分别从颗粒相和流体相的流动状态分析得到元件长径比Ar=3时为最优几何结构;通过正交实验极差分析得到影响气固两相流动特性的因素顺序:输送气速>颗粒质量流量>颗粒粒径。当元件Ar=3时,颗粒-颗粒和颗粒-管壁的碰撞次数与碰撞强度呈现负相关,结合出口颗粒流分散状态,优选输送气速为3~4m/s;主要考虑输送气速对管内压降的影响,提出了带有Komax型元件的水平管道气力运输过程中压降与输送气速和轴向位置的经验拟合式。

非牛顿流体在叶片式静态混合器中的传热强化特性

非牛顿流体在化学、食品和材料等领域具有关键作用,但高表观黏度使其通常具有低传热特性。叶片式静态混合器作为一种高效的传热强化设备,在化工过程强化中具有鲜明的技术特色。本文针对非牛顿流体在Kenics静态混合器(KSM)和Lightnin静态混合器(LSM)内的流动和传热特性进行了比较研究。重点分析了体积流量、元件长径比及流体浓度等参数对羧甲基纤维素(CMC)幂律流体的流动及传热影响。结果表明,在相同工况下,随着CMC溶液的体积流量增大,管道内的换热系数和压降均增大。静态混合元件的插入使得换热系数和压降显著提高且Lightnin元件产生的影响更明显。元件长径比和CMC溶液浓度影响流体在管道内的流动和换热。随着长径比的减小,传热性能得到提高,但其增大的阻力系数影响占据主导地位,综合换热性能系数(PEC)降低。溶液浓度的增大使得管道换热能力逐步削弱,并对管道内压降的提升有显著影响,综合换热性能降低。总结得出,在体积流量为4.5×10^(-4)m^(3)/s,质量分数为0.374%、长径比为3.0时,KSM的PEC最大为2.114。

新型静态混合器湍流特性数值模拟

结合新型静态混合器的结构特点,利用CFD软件采用标准的k-ε湍流模型对新型静态混合器内的湍流状态下的三维不可压缩流场进行数值模拟。通过研究新型静态混合器脉动速度分布的对称性及其间歇性发现:新型静态混合器内3个方向速度分量的偏斜因子和平坦因子分布具有周期性;x和z2个方向的速度概率密度分布存在较小不对称性且其平坦因子数值在2.3—5.7变化,径向偏斜因子的数量级均较轴向小1个数量级。采用新的数据处理方法计算和分析得到了不同长径比下新型静态混合器湍流流动阻力统一特性曲线及其关联式。

旋流叶片轴向排列对静态混合器混合特性的影响

为了预测旋流静态混合器内非稳态宏观混合特性,基于体积加权混合法则结合脉冲示踪法,在简化模型的基础上,利用计算流体力学的SSTk-ω湍流模型,通过湍流流场数值计算求解示踪剂的浓度输运方程,得到了不同混合组件和混合元件级数下静态混合器内的浓度响应曲线,比较了MSM、KSM、SSM、RSM4种旋流静态混合器的强化混合效果.数值模拟表明:KSM型静态混合器流阻Z因子与文献实验对比吻合较好;KSM的强化能力最大,SSM的强化能力最小.根据提出的强化因子评价混合器级数的强化效果,发现径向强化系数与螺旋叶片级数的幂函数呈线性关系.

射流混合设备内混合时间的研究进展

介绍了有关射流混合设备内混合时间的实验研究进展,概述了计算流体力学(CFD)技术在射流混合设备内流场结构演化和混合效率评价中的应用,总结了不同研究者提出的混合时间关联式。分析影响射流混合效率的参数发现:混合时间随着混合槽直径的增加而增加,并与混合槽的高度呈正比;射流速度的增加可有效地降低混合时间;射流喷嘴的最佳直径与形状由混合槽的具体结构决定,但其最佳位置取决于混合槽高度与直径的比值;多股对置射流明显地提高混合效率。最后指出将CFD方法与压力波动信号(PFS)、PIV和PLIF等实验方法相结合可有效地推进射流强化混合机理研究和新型射流混合反应器的开发进程。

高黏度流体在SK型静态混合器内的流动特性

根据流体动力学、非线性动力学及Ottino理论,建立了高黏度流体在SK型静态混合器内的流体流动改进模型,分析二维Navier-Stokes方程基于双极坐标系下流函数形式的边值问题并建立了相应的流体微分运动方程。用Poincare映射方法对静态混合器内的蠕动流的动力学行为进行了数值仿真研究。给出了系统响应随管壁转动角频率变化的分岔图、最大Lyapunov指数曲线图、典型的Poincare截面图和相图。结论表明:高黏度流体在SK型静态混合器内轴截面的径向流动存在混沌特性。

SK型静态混合器切割区内速度混沌特性

为揭示SK型静态混合器内非稳态流动特性,利用激光多普勒粒子分析仪对直径为0.04m、长径比为1.25的SK型静态混合器的切割区瞬时流场进行测量。采用功率谱和最大Lyapunov指数识别混合器内瞬时速度时间序列的混沌特性,利用湍流高阶矩参数分析混沌运动的统计特征。实验结果表明:SK型静态混合器切割区速度波动时间序列具有混沌特性;功率谱函数随频率的增加呈幂函数衰减,瞬时速度脉动主要能量集中在31.25Hz以下;湍流高阶矩分布揭示了切割区内的速度脉动存在非线性拟序结构,混沌运动的概率密度函数偏离高斯分布。

新型静态混合器流动阻力特性数值研究

基于微尺度流动特征利用 CFD 软件,研究新型静态混合器内部流动阻力特性。从轴截面速度矢量图中可以看到,新型静态混合器内部存在同混合元件组的旋向相反的自旋流动;利用量纲分析和π定理简化了新型静态混合器流动阻力的影响因素之间的关系式,通过数据整理和回归得到了普遍适用的流动阻力摩擦系数关联式,为其工业化应用提供了理论依据。

Ross LPD型静态混合器内湍流传热与混合强化特性

在湍流状态Re=2640~17600下,采用恒热通量传热实验与数值模拟相结合的方法,系统研究Reynolds数Re和交错角对Ross LPD型静态混合器内湍流流动与传热性能影响,采用Nusselt数、Darcy摩擦系数、综合传热系数、速度场与温度梯度和压力梯度协同角等参数评价混合器内传热强化性能;基于CFD与LPT相耦合分析混合器内流体微元拉伸率。研究结果表明:SST k-ω模型预测Ross型静态混合器湍流阻力及传热结果与实验结果具有很好一致性;Ross混合器流场内形成与流场尺度较为接近的纵向涡,其涡心在圆形截面与半圆形截面中心间周期性迁移,横截面内湍流分散混合效率是Kenics的3.36~1.72倍;当Re>7040时,Ross LPD综合传热性能明显优于KSM;当叶片夹角为30°时,综合传热性能系数具有最大值;Ross LPD内插件具有高效低阻的技术优势和结构改进潜力。

SK型静态混合器停留时间分布特性研究

结合脉冲示踪法利用计算流体力学方法的雷诺时均方程(RNAS)和重整化群的k-ε湍流模型计算SK型静态混合器内的浓度响应曲线。基于正交实验原理分析流体在不同混合元件长径比、不同监测位置及不同的进口流速下的停留时间分布特性,并计算了平均停留时间和方差来研究各因素之间影响顺序。结果表明,SK型静态混合器内的液体单相流动的轴向返混系数较小且数量级均为10-2,流动状态接近活塞流;平均停留时间随流体流速的增大而减小,随混合器长度和混合元件长径比的增加而增大。

静态混合器内瞬态壁压波动特性实验研究

为了探讨静态混合器内非线性流动特性,利用动态数据采集系统对SK型静态混合器管壁脉动压力进行测量,研究湍流状态下壁压的脉动幅值、功率谱以及结构函数的扩展的自相似标度律.实验研究表明:SK型静态混合器各点压力的最大波动幅值大于125 Pa,并与进口流量呈二次函数关系逐渐增大;瞬态壁压脉动信号的一阶主频率低于0.5 Hz,功率谱随着频率的增加呈幂函数关系衰减;壁压波动信号的k阶结构函数与3阶结构函数的双对数存在线性关系;当进口流量Q>400 L.h-1时,压力结构函数的标度指数ξ(k)大于相对标度指数ξ(k,3);当进口流量Q≤400 L.h-1时,壁压波动信号的压力结构函数的标度指数ξ(k)小于相对标度指数ξ(k,3).但k阶结构函数相对标度指数ξ(k,3)与均匀各向同性湍流惯性子区的标度指数ξ(k)存在较大差别.

旋流静态混合器内脉动壁压符号时间序列复杂度分析

为了研究旋流静态混合器内瞬态壁压非线性符号化特性,利用高速动态数据采集系统对直径为0.1m、长径比为2的旋流静态混合器内湍流脉动壁压进行测量。基于瞬态壁压序列的有限统计复杂性对3种符号化转换方法进行了评估,并优化了数据采样长度和小波分解尺度。分析发现动态法保留静态混合流动有效信息能力优于其他两种方法。运用动态法和db2小波相结合对1～15尺度下的压力波动信号进行多尺度符号化复杂度分析。实验研究表明:随着轴向位置的增加,系统的稳定性增强,相对复杂度降低。7.8125Hz以上信号随着流体微团脉动频率的降低其相对复杂度呈双曲线衰减,而0～7.8125Hz信号相对复杂度随信号频率的降低呈线性衰减,表明静态混合是一种具有宏观大尺度稳定性和局部小尺度不稳定的多尺度结构的流体动力学系统。

多旋静态混合器强化对流传质场协同分析

为了研究静态混合器强化高粘流体混沌对流传质机理,通过积分中值角定量评价雷诺数和混合构件结构对静态混合器内速度场与压力场协同程度的影响。研究结果表明：静态混合器内速度场与压力场的协同角随着雷诺数的增加而降低;当Re〉17.8时,随着截面内叶片个数的增加,多旋静态混合器的协同角逐渐增大;FKSM构件较KSM提高速度场与压力场的协同程度达5.9%~11.9%,且其概率密度分布更加集中,最大概率对应的协同角数值比KSM高2.3%~3.5%,旋流叶片的切割分流作用致使轴向相邻2组混合元件过渡处协同角数值较大。

SK型静态混合器内的流动特性数值研究

基于微尺度流动特征的角度,研究SK型静态混合器内部湍流时的流动规律。利用计算流体力学专业软件并采用雷诺时均方程和标准的k-!湍流模型对SK静态混合器内的湍流状态下的三维不可压缩流场进行数值模拟。数值计算和研究表明在含有多个SK型螺旋元件的静态混合器内,受元件衔接处的切割作用的流体将在其后的混合元件的3L/8处完成重新汇合;研究了SK型静态混合器的主要参数对流动阻力的影响,从而为静态混合器的优化设计提供了依据。

Q型内构件强化管内湍流流动与传热特性分析

为了研究内置 Q型扰流构件强化圆管内湍流流动与传热特性，以水为工质采用 ANSYS Fluent 软件在3000≤Re≤30000范围内对内置RL-90-QSM、RR-90-QSM和RR-00-QSM等3种构件的管内传热与流阻性能进行数值模拟，基于RL-90-KSM研究Q型构件强化传热综合性能。研究结果表明：在Re＝3000-5000，RL-90-QSM内传热Nu随Re的增大增加最快，较KSM内Nu提高约7％-36％，但其强化传热综合性能弱于KSM；而RR-00-QSM和RR-90-QSM内传热Nu分别较KSM降低约3％-8％和4％-15％。当Re＞5000时，RL-90-QSM内Nu较KSM提高约48％，特别是当Re＞15000时其强化传热综合性能高于其他三种构件；RR-90-QSM和RR-00-QSM的强化传热性能随Re增加逐渐降低，但其强化传热能力高于KSM。

水平与竖直布置方式下静态混合器内瞬态压力波动混沌特征

为了获得不同布置方式下SK型静态混合器内流体瞬态流动的非线性特征,在湍流状态下（Re=1756～3512）采用高速数据采集器Dewe-3021和压力传感器测量了不同雷诺数和截面处瞬态压力波动时间序列（PFS）；利用混沌吸引子周界测度、混沌动力结构突变以及递归率等参数定量表征水平放置与竖直放置时SK型静态混合器内压力波动特征.研究表明：不同布置状态下静态混合器内PFS的混沌吸引子二维面积增长率随轴向位置的变化趋势基本一致,且SA-Ao呈线性分布；与水平放置的SK型静态混合器相比,竖直放置时压力波动混沌特性强,混沌动力结构突变小,吸引子演化稳定；混沌形态特征参数能有效区别SK型静态混合器在不同布置状态下的流体动力学特征.

循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS FluentV16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-ɷ湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明:分散相浓度(α_(d))增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_(d)=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_(d)=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。

SK型静态混合器内的三维流场数值模拟

利用专业的计算流体力学软件Fluent对SK型静态混合器内的三维不可压缩湍流流场进行数值模拟.计算过程中采用雷诺时均方程和标准的k-ε湍流模型,得到静态混合器内混和物中2种流体的速度场分布相同并且关于其轴线成对称分布的规律.单个混和元件其流体速度的最大值出现在中间的横截面处.利用后处理软件对计算结果进行分析,为其性能测试提供了理论依据.

循环射流混合槽压力波动时间序列差异性分析

为了研究循环射流混合槽内压力波动信号的前向和后向符号时间序列的动力学特征的差异性,利用等概率原则对PFS(pressure fluctuation signals)时间序列进行符号化转换,通过修正的Shannon熵选取最佳符号集大小和子序列长度。利用子序列编码图、时间不可逆转性、秩次图和秩次距离等参数对PFS时间序列进行STSA(symbolic time series analysis)研究。研究结果表明:修正的Shannon熵最小时确定优化符号化参数为n=2和L=10。前向与后向时间序列的子序列编码分布相似但其频数不等,表明CJT(circulating jet tank)内湍流流动呈现多尺度混沌确定性特征。PFS的时间不可逆性值随着周向角的增加不断增加,随z/H的增大呈现先降低再上升最后降低的趋势,随雷诺数的增加呈现"W"型分布。时间不可逆性值与秩次距离对PFS前后向序列动力学特征的差异性判断相互吻合。

SK型静态混合器湍流瞬时速度时间序列关联积分

在湍流状态（Re=3972-11916）下利用激光多普勒粒子分析仪对Ф40mm×800mm、长径比1．25的SK型静态混合器的瞬时流场进行测量。结合傅立叶频域分解和互信息函数，利用小波阈值理论提取瞬时速度相关信号，基于相空间重构理论、改进关联积分和最小二乘法对瞬时速度脉动行为进行了非线性分析和特征提取。利用关联维数D2和K2熵表征了其湍流特性，确定SK型静态混合器内的流场为具有自相似分形的混沌流场，关联维数在混合器中的径向变化范围在1．3～2．7之间；随着径向位移的增大，K2熵先减小后增大。