两相流场粒子成像测速技术(PTV-PIV)初探

在单相ＰＴＶ－ＰＩＶ研究基础上，研究液固两相流场粒子成像图像数字测速技术．首次用ＰＴＶ技术得到直槽道中液固两相流场二维瞬时全场两相流速分布．初步探讨了两相ＰＴＶ－ＰＩＶ技术中与单相ＰＴＶ－ＰＩＶ测速技术的关键不同之处，提出两相ＰＴＶ－ＰＩＶ测速采样的两相相容性准则．为深入研究两相流场粒子成像测速技术奠定了基础．

大功率氧煤燃烧器内湍流气固两相流动数值模拟

本文对新型同轴射流缩口式氧煤枪所组成的大功率氧煤燃烧器内冷态轴对称二维湍流气固两相流动用ｋ－ε－Ａ。两相湍流模型进行了数值预报，揭示了燃烧器内两相流场特征，预报结果和实验结果相符。进一步对相应高炉实际工况高速条件下的冷态两相流场进行了预报，其结果为优选结构尺寸和流动参数提供了重要依据。

大功率氧煤燃烧器内冷态流场试验研究

研究热风管中不同结构的氧煤枪出口下游冷态两相流场。提出高炉炼铁大功率氧煤燃烧器新型结构。用流场显示，热球风速仪，三孔探针和取样探针给出其中时均速度场、回流区大小、位置及颗粒浓度分布。冷态试验结果表明：大口径同轴射流渐扩式大功率氧煤燃烧器在加强氧煤混合，增长煤粉停留时间，强化枪体冷却。延长使用寿命上会有好的效果。为实现提高大喷煤量气化率的热态试验和结构优选提供了依据。

喷腾旋风炉冷态两相流场实验研究

用黄豆、大米、小米及８００－２００μｍ粒径玻璃珠代表粒径在５ｍｍ以下散煤，通过两相流场显示，热球风速仪流速测量和单颗粒轨道计算，探讨了底吹风与进煤量、底吹风与一次风的匹配关系，炉内冷态两相流场特征及气动力匹配规律，结果表明改进后的炉体结构更有利于强化燃烧，为热态试验提供了技术依据。

新型喷腾旋风炉煤燃烧实验研究

喷腾旋风燃烧是一种基于正交强旋流动原理的新型高效清洁燃煤技术。本文在以前工作的基础上，对炉体结构进行改进，并在改进的模型炉中燃用５ｍｍ以下散煤，进行了燃烧实验研究。用Ｋ型（镍铬－镍铝）铠装热电偶测量了炉内温度分布，用ＣＯＳＡ６０００ＣＤ气体分析仪测量了污染物排放，探讨了底吹风与进煤量，底吹风与１次风、２次风的匹配关系，并进行了效率分析。实验结果表明，改进后的结构更有利于煤的火焰稳定和强化燃烧，可以在小型燃煤炉中实现高效低污染燃烧。研究结果为进一步探讨喷腾旋风燃煤技术的机理并把该技术应用于生产实践提供了技术依据。

旋转式一孔测压管及其应用1）

由圆柱三孔型二元复合测压管的测速原理出发，提出用一孔测压管通过旋转实现平面气流速度大小与方向的自动测量，建立了相应的测试系统．通过大量实验，研究了该系统的性能．在多种回流和旋流流场测量中进行了应用．结果表明该系统测量原理正确，重复性好。

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段，在国际上已经得到广泛应用．本文在回顾了大涡模拟（ＬＥＳ）的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果，同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例，指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用，为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。

粒度、压力和水分对型煤冷态强度的影响

介绍了实验室关于有粘结剂冷压成型型煤强度研究的一些实验结果。所用原料煤为烟煤,以高分子聚合物为粘结剂。本文讨论了原料煤粒度、压力和水分对型煤冷态强度的影响,实验结果对工业生产有一定的指导意义。实验表明:原料煤的粒度对型煤冷态强度影响较大;成型水分对亲水性粘结剂的分散起重要作用。

圆湍射流拟序结构研究进展

圆湍射流拟序结构的实验研究，经历了流场显示定性观测、热线、激光单点测量、数字图像等方法全流场定量测量以及当前三维演变机制的探讨．与此同时，静态激励和主动技术的拟序结构控制研究也获得了大量的成果 应用涡方法、直接数值模拟和大涡模拟等对圆湍射流拟序结构进行的数值模拟，在印证试验现象的同时，还进一步深入研究了拟序结构的输运特性、激发机制等相关内容、本文对上述进展进行了综述，以期为进一步开展湍射流的研究和应用提供依据．

甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟

本文对甲烷-空气平面自由射流扩散火焰进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,湍流亚格子项采用动态模式模拟,化学反应速率亚格子项采用动态相似模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了湍流扩散火焰的瞬态发展变化过程,表明射流扩散火焰的发展过程存在着“湍流控制”和“化学反应控制”两个不同阶段。 “湍流控制”阶段仅存在于火焰发展初期的极短时间内。

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。

催化裂化提升管反应器气液固3相流动反应的数值模拟Ⅲ.流动传热及反应的数值模拟

在对工业提升管反应器气液固３ 相系统的数值模拟，得到原料液雾流动与气化状况的基础上，获得了气固两相的速度场、温度场和浓度场的详细信息， 并与两相模型的相应结果进行了对比。模拟结果表明， 提升管下部是最复杂的部分，气固两相流场、湍动能以及催化剂颗粒浓度场在轴向、径向和圆周方向都存在着较大的梯度。气固两相温度分布在３ 个坐标方向上是非常不均匀的， 但两相温差除喷嘴附近外均较小，反应结果表现出类似的不均匀分布形态。出口处反应温度和气相各组分浓度的计算值与工业数据吻合较好，说明模型对工业催化裂化提升管反应器流动反应状况的良好预测性，也验证了本研究的合理性和可靠性。与两相模型的结果对比发现， 各物理量的空间分布形态基本一致， 但在进料区域因对进料的模化方法不同而有一定差异。由于３相模型较真实地体现了原料气化过程及其影响，且出口计算结果更接近工业数据，故其预测性、合理性和可靠性都优于气固两相流动模型。

催化裂化提升管反应器气液固3相流动反应的数值模拟 Ⅰ.气液固3相流动反应模型的建立

在已建立的催化裂化提升管反应器气固两相流动反应模型基础上，把原料油液雾的流动、传热、气化过程及其对反应结果的影响全部纳入模型中，对催化裂化提升管反应器进行了３维微分模拟，考察了原料液雾流动气化过程及其影响，建立了提升管反应器气液固３相流动反应模型、数值模拟方法及相应的程序，利用该模型对工业提升管反应器进行数值模拟研究。

湍流气固两相流动状况的数值模拟

应用已建立的提升管反应器气固两相流动反应模型；对工业催化裂化提升管反应器内在有传热及裂化反应时的湍流气固两相流动进行了数值模拟，得到了气固两相湍流流动状况的详细信息，揭示了提升管内部有反应和传热存在时气固两相湍流流动的基本特征。模拟结果表明；在轴向、径向和圆周方向都存在着流动、湍能与催化剂颗粒浓度的不均匀分布，进料段内的流动是整个反应器最复杂的部分。工业提升管反应器内这一复杂的气固两相湍流流动必将对传热和裂化反应的结果产生极大影响。

颗粒在大涡结构中的弥散

气相采朋大涡模拟方法，颗粒相采用轨道模型研究了三维后台阶气粒两相湍流流动的大尺度涡结构的瞬时演变过程以及颗粒的瞬时弥散规律．比较了不同入流速度的颗粒在大涡结构中的瞬时弥散特性，尤其研究了高速释放大颗粒的弥散特性．三维流动中大尺度涡结构具有明显的脱离、发展、合并和破碎过程．小颗粒的分布受大涡结构的控制，其空间的弥散过程与流体大涡结构的空间发展相一致，但是由于三维流动中大涡边缘和中心区的压力差，颗粒在大尺度涡的边缘出现密集．而大颗粒在流场中的分布受其惯性控制，对气相的涡结构不敏感．高速释放到流场中的大颗粒受惯性影响最大，保持在其原有动量方向上运动．

两相混合层中颗粒运动的数值模拟

本文采用离散涡方法对平板混合层流动进行了数值模拟，得到了与实验完全定量符合的速度场。再用单向耦合方法模拟了混合层流场中颗粒的运动。分析了混合层流动中大尺度涡结构及Ｓｔｏｋｅｓ数对颗粒扩散的影响。与前人工作中所采用的每个时间步一个颗粒在固定的位置进入计算域的方法不同，本文中每个时间步有多个颗粒在入口处以随机的横向位置进入计算域。因此，在不需增加太多计算量的基础上，计算域中可以包含足够多的颗粒以获得较精确的统计结果。采用本文方法得到的颗粒速度场与实验结果定量符合得很好。

旋风炉内气相燃烧及两相流动的数值模拟

在有反应两相流动及煤粉燃烧的全双流体模型 (PTF模型 ,pure two- fluid model)基础上 ,采用修正的 k- ε-kp 两相湍流模型 ,对旋风炉内的湍流气相燃烧 (甲烷和一氧化碳的燃烧 )及在气相燃烧条件下的两相流动进行了数值模拟研究 ,模拟结果表明 ,在有燃烧的情况下 ,在旋风炉的底部存在近壁回流区 ,该回流区有利于火焰稳定。气粒两相切向速度分布具有类似的 Rankine涡结构。该研究为煤粉燃烧的数值模拟奠定了基础。

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟,研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律,指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富,回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上,进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程,展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况,对大涡模拟得到的数值结果进行了统计,得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。

后台阶流动再附着过程的大涡模拟研究

应用自主开发的大涡模拟程序数值模拟研究了后台阶流动中再附着过程的演变。在流动几何参数不变情况下 ,给出了再附长度随雷诺数的变化规律 ,并与实验进行了比较 ,二者相符得比较好。在此基础上 ,给出了三种典型雷诺数下 ,后台阶流动的回流区特征。在湍流情况下 ,研究了突扩比对再附长度的影响 ,与实验结果吻合的比较好。详细讨论了湍流情况下大涡拟序结构的瞬时再附着过程。

圆湍射流的轴对称大涡模拟

对空间发展的不可压缩圆湍射流进行了大涡模拟研究。在流动轴对称假定下 ,对 Re数等于 1130 0的圆湍射流流动进行数值模拟。大涡模拟很好地再现了圆湍射流中拟序结构非定常演化的前期过程 ,成功地捕获到了射流中 Kelvin- Helmholtz不稳定性的触发与初级涡环的卷起及其第一次和第二次配对合并现象。但在流动轴对称假设下 ,大涡模拟不能模拟出湍流拟序涡环结构的破碎过程。对圆湍射流的轴对称大涡模拟结果进行长时间统计平均 ,能够预报出圆湍射流的核心区特征 ,但与圆湍射流的理论分析解和经典的实验数据对比发现 ,核心区后大涡模拟预报的流向速度降低缓慢。