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。

旋流静态混合器内瞬态流动特性研究进展

首先概括了静态混合的技术特色;其次,重点综述了近年来旋流静态混合器内脉动压力与速度波动的统计特征、多尺度分形和混沌混合特性等方面的研究进展;实验研究发现Kenics静态混合器各点压力最大波动幅值与进口流量呈二次函数关系,脉动功率谱随着频率的增加呈幂函数关系衰减;轴截面内壁面自由涡和主体区强制涡相互耦合诱导混沌流的产生,同时提高速度与温度梯度的场协同程度。最后,总结了静态混合器内螺旋元件的切割分流、改变流向和径向混合等功能在强化CO2水合物形成过程中的作用。指出将计算流体力学、映射法等方法同LIF、PIV、PFS有机结合可有效地分析静态混合器内多相流动混合机理。

Lightnin静态混合器内纳米流体湍流传热特性分析

静态混合器作为一种高效传热传质连续流强化设备,在化工过程强化技术中具有明显技术特色。由于缺乏纳米流体的物性对Lightnin静态混合器(LSM)内传热特性影响的研究,一定程度上制约了LSM强化传热应用的进一步推广。本文采用混合多相流模型和SST k-ω湍流模型,在Re=8000~28000和恒热流密度条件下,从熵产以及速度场与温度场的协同性等方面分析纳米颗粒的体积分数、种类及粒径大小对LSM内传热特性的影响。结果表明,随着Cu纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体的综合传热性能及温度场与速度场的协同性能逐渐增强,总熵产率和Be数逐渐减小,体积分数为0.5%~2.0%的Cu-H_(2)O的纳米流体在Re=8000~28000范围内的综合传热性能系数(PEC)分别达到2.16~2.25、3.16~3.25、3.94~4.15及4.64~5.16。Cu-H_(2)O、Al_(2)O_(3)-H_(2)O及CuO-H_(2)O这3种纳米流体相比,Cu-H_(2)O纳米流体的强化传热性能要远好于其他两种纳米流体,Al_(2)O_(3)-H_(2)O及CuO-H_(2)O纳米流体的平均PEC分别是Cu-H_(2)O纳米流体的0.47倍和0.46倍。随着Cu纳米颗粒粒径的增加,纳米流体的综合传热性能和温度场与速度场的协同性能逐渐减弱,总熵产率和Be数逐渐增加。

Lightnin静态混合器内瞬态流场POD分析及混合特性研究

为了研究Lightnin静态混合器(LSM)内的瞬态流场结构和混合特性,以水为工质采用ANSYS FLUENT V16.1中的大涡模拟(large eddy simulation,LES)湍流模型对不同长径比和雷诺数下LSM内的湍流流动进行数值模拟,并用本征正交分解(POD)方法对流场结构进行模态分解以提取流场相干结构。结果表明:当采样数量达到2000时,低阶模态蕴含流场主要的旋涡结构信息;混合段内横截面平均涡量分布呈正弦状周期性变化,在z/l=5.0~6.0范围内,Re=3981、5971和7962时的平均涡量相较于Re=1990时增长148.5%~322.7%,拉伸率提高11.5%~18.9%;小长径比的LSM中流体被拉伸的概率更大。

推进式搅拌混合器内湍流特性研究

利用计算流体力学湍流模型和多重参考系法对典型的推进式搅拌混合器内湍流特性进行分析，得到了混合器内时均速度和湍动能的分布特性。研究结果表明，随着半径的增大，时均速度数值先增大后降低，桨叶顶端附近的时均速度较大，与文献试验相吻合；叶轮下端排出区时均速度数值随着轴向位置的增加呈现先增大后急剧下降趋势，在叶轮以上区域沿轴向变化趋于一致；叶轮排出区湍动呈现非均匀性，同一轴向或径向位置各点湍动能最大相差7～9倍。推进式桨叶与45°三叶折叶桨相比具有较好的轴流特性和相对较远传输距离。

静态混合器的微观研究与工业化应用进展

介绍了化工过程强化中新型化工设备——静态混合器以及计算流体力学和激光测速技术在静态混合器的微观应用基础理论中的应用和研究进展;由于静态混合器具有特殊的结构特点与传统的搅拌混合设备相比表现出了高效、节能等优点,静态混合器在硝化工业和环氧丙烷装置的扩产改造中成功应用并且取得了巨大社会效益和经济效益。

撞击流反应器流场的有限元分析初探

撞击流已被证明是强化相间热质传递最有效的方法之一 ,作为一种新型的反应器———浸没循环撞击流反应器 ,在液相和液固相反应极具应用开发潜力。本文用有限元软件ANSYS/FLOTRAN对其三维流场进行模拟和分析。结果表明SCISR流场中各参数关于y轴完全对称 ;撞击区速度和压力都较大 ,撞击区静压高 ,且在驻点达到最大值。

基于局域波分解的循环射流混合槽内压力脉动信号时频特性分析

为了探讨循环射流混合槽射流混合区内瞬态流动特性,在Re=3660～32940范围内利用动态数据采集系统对射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的瞬态脉动压力进行了测量,并采用基于局域波分解的方法分析了循环射流混合槽内压力脉动信号的时频分布。研究表明:瞬态压力波动信号的波动能量分布随瞬时频率的提高明显降低;在θm=π/6和π/3时,频率集中分布在为0～0.25 Hz,而θm=π/4和θm=5π/12时,瞬时波动频率主要分布在0～6Hz和0～20Hz。低雷诺数下流体运动随机性频繁,Re=3660时存在32Hz,25Hz,7Hz和5Hz等多个频率集中分布段,而Re=18300和Re=25620时频率范围为0～8 Hz和0～3 Hz。随着测量位置z/H增加,0～1 Hz内低频能量比例先减小然后增加再减少;z/H=0.85时受到自由液面的影响,集中能量频率分布范围较其他轴向位置要广,且0～5 Hz低频能量比例减少。

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器(LSM)内水−空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_(L)=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_(G)=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明:当U_(L)<0.085 m/s和U_(G)=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d_(32)逐渐减小。当液体表观速度U_(L)≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d_(32)随气体表观速度的增加先减小后增大;U_(G)=0.028 m/s时d_(32)达到局部最小值,53%的气泡直径d_(B)/D_(0)在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d_(32)/D_(0)=0.031τ^(-0.14)We^(-0.41)。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式:C=5.26×10^(5)U_(G)^(-0.91)/Re^(0.74)。

SK型静态混合器速度波动信号时滞相关性分析

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型静态混合器瞬时流场进行测量。基于傅立叶变换对采集的瞬时速度波动信号进行分解，得到0～12．5，12．5～25．0，25．0～37．5，37．5～50．0，50．0～62．5，62．5～75．0Hz和大于75Hz的时域信号。利用自相关函数和互信息函数研究各个频率段信号的线性相关和非线性相关性。实验研究表明SK型静态混合器速度瞬时波动信号中62．5Hz以上的信号线性无关，75Hz以上的信号不存在非线性和线性相关性。

循环射流混合槽内压力脉动时间序列多尺度分析

为探讨循环射流混合槽（Circulating jet tank,CJT）内瞬态压力脉动的复杂性特性,采用动态数据采集系统对射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的压力脉动信号（Pressure fluctuation signal,PFS）进行测量。根据PFS的标准差、峰度和偏度分布,优化PFS序列最佳样本数i=110 000。基于有限统计复杂性,比较综合法、动态法和静态法等三种时间序列符号化方法,得出综合法比动态法和静态法的适应性强,并确定最佳小波分解尺度。对CJT内各尺度的PFS进行有限统计复杂性和复杂度分析,发现CJT内PFS的两种复杂性分布趋势相似。通过对PFS多尺度分析发现：随着分解尺度的增加,复杂度先急剧衰减后趋于平稳,表明CJT内PFS随机性减弱周期性增强;PFS分解得到0～0.98 Hz低频A10尺度概貌信号的复杂度趋于0,揭示CJT内动力系统为整体稳定、局部不稳定的多尺度结构。

循环射流混合槽内油-水两相流复杂动力学特性分析

采用流体力学计算软件ANSYS FLUENT V16.1中的Eulerian-Eulerian多相流模型和剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型,对循环射流混合槽内油-水两相流的动力学特性进行研究,分析不同雷诺数Re和不同相含率对多孔射流中心线速度自相似性、涡量和剪切速率的影响。研究发现:在不同Re及分散相相含率条件下,射流方向上连续相水的流动状态满足自相似性;Re=6 346、9 519和12 692时无量纲高度z/H=0.9处的涡量与Re=3 173时相比分别增大118.3%、253.7%和373.4%;轴向、径向和周向位置处涡量等值线图揭示高涡量区域主要集中在射流孔附近,射流中心线两侧存在反向对涡,射流中心线附近涡的相对强度与中心主体混合区域相比高2个数量级;与涡量及Q准则相比,第三代涡判别法Liutex对流场中大尺度涡结构的识别基本相同,对主体混合区域细小涡结构的识别相对更加准确;剪切速率随周向位置的增大呈现先增后减的趋势,在θ=12°处随着Re从3 173增加到12 692,平均剪切速率增大86.2%~257.7%。

Lightnin静态混合器内微观混合及强化特性

选取碘化物-碘酸盐平行竞争反应为工作体系,采用组分输运模型对Lightnin静态混合器(LSM)内的微观特性进行了数值研究。结果表明:数值预测结果与实验结果误差为6.16%。在充分湍流状态下(雷诺数为3000~7000),物料进入旋流元件后其旋流强度沿流程呈正弦周期分布且旋流强度峰值逐渐右移,流道内的离心力调控致使元件两侧产生的反向对称涡心逐渐向管壁侧演化。轴向距离(z)与混合元件长度(l)的比值(z/l)为2时,微观混合与空管段对比提高了95.65%~96.18%。入口尺寸即氢离子入口直径(d)与管径(D)的比值(d/D)为0.7时,微观混合效率离集指数(X_(S))最小。入口H^(+)和IO_(3)^(-)、I-及缓冲溶液的体积流量比(V_(B)/V_(A))为4时的微观混合特性相比,V_(B)/V_(A)为6,8,10和12时的微观混合特性分别提高了6.7%,10%,12%和13.3%。对雷诺数、入口H^(+)浓度和入口尺寸这3种因素进行正交实验发现,入口尺寸对微观混合特性的影响大于其他两种因素。

ANSYS在结构拓扑优化设计中的应用

计算机技术的迅猛发展带动了优化设计方法的变更。从理论上说明了拓扑优化的数学模型,结合一设计优化实例,介绍了ANSYS优化设计的思想及步骤,为使用者提供了一套系统的思维模式,创造了良好的条件和方法。

Lightnin静态混合器内气液两相混合与传质强化特性

采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡模型(PBM)研究Lightnin静态混合器(LSM)内气泡分散特性,使用不同的破碎核和聚并核函数系统研究雷诺数(Re)、气相体积分数(α_(d))和元件数量对气泡分散行为以及混合效率的影响,采用气液界面积和体积传质系数(k_(L)a)量化LSM和Kenics静态混合器(KSM)内气泡破碎性能以及传质速率,基于变异系数(CoV)和流体微元拉伸率分析LSM和KSM的分布混合性能和分散混合性能。结果表明:Luo聚并模型和Prince模型高估了LSM内气泡的聚并效率,通过Luo-Turbulent模型计算的气泡尺寸与实验数值具有很好的一致性;随着Re和α_(d)的增大,LSM内气泡的分散行为被进一步强化,在高Re的条件下增大元件数量可以显著提高气液传质效率;CoV曲线表明,LSM具有比KSM更好的分布混合性能,3个LSM元件可以保证混合程度大于95%。LSM的分散混合效率是KSM的1.06~1.16倍;基于压力波动信号时间序列,确定了LSM中流型从过渡区向非均匀区转变的临界表观速度。

真空炉上法兰应力有限元计算及强度评定

通过ANSYS面-面接触单元模拟真空炉快开装置的齿啮接触过程,得到上法兰受力特性和应力分布规律。结果表明在齿根处出现最大应力,球形封头和罐盖法兰过渡处薄膜应力最大。对球形封头进行优化设计,确定球形封头最优厚度14 mm,分析上法兰最大应力变化得出pw≤2.2 MPa。分析过程和计算结果为试验和生产制造提供一定的参考和依据。

Lightnin静态混合器内瞬态压力波动特性数值模拟

在湍流状态下,采用计算流体力学软件(CFD)ANSYS FLUENT v16.1大涡模型在雷诺数Re为398、1990、3981和5971时,对Lightnin静态混合器内瞬态压力波动特性进行瞬态数值模拟.首先对原始信号进行消噪处理,确定优化数据长度,然后通过研究压力波动时间序列的偏斜度S、平坦度F及概率密度分布等参数,分析静态混合器内的瞬时静压湍流脉动特征.结果表明:混合器内静压波动时间序列存在宏观不稳定性.在Re=3981时,F随着时间序列长度的增加其变化率小于4.95%,σ/p_(max)的变化率小于4.6%;压力概率密度分布峰值沿轴向位置的增加呈减小趋势,说明元件的扰动使小尺度涡运动增强;随着Re的增大,偏斜度和平坦度总体分布范围减小,偏离高斯分布程度提高,混合性能增强.

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。

SK型静态混合器壁压脉动信号的多尺度多分形特性

为了探讨静态混合器内非线性、非均匀性和混沌特性机理,利用高速数据采集系统对SK型静态混合器管壁处脉动压力进行测量。结合小波变换模极大值理论,对采集的不同进口流量下壁压波动时间序列用Daubechies二阶小波提取1～7尺度下的特征信号,并分别对提取的信号进行R/S分析。通过对压力波动信号不同尺度下的细节信号与概貌信号研究,发现在不同尺度下其表现出不同的分形结构,且随着进口流量的增大,分形结构的变化趋势基本一致。此外,该系统不仅存在确定性非周期成分,而且不同尺度的旋涡之间的能量交换导致混沌的产生。各尺度信号的能量分布表明,压力波动信号主要体现了宏观尺度的旋涡级串的相互作用。