流态化模拟：基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。

气固流态化中颗粒介尺度结构的动力学研究

气固流化床中的团聚等介尺度结构严重影响气固的整体流化特性、传热、传质和反应效率,因此介尺度结构的研究至关重要。简要回顾颗粒介尺度结构的定义与分类,然后从流体-颗粒、颗粒-颗粒之间的力和非弹性碰撞相互作用出发,总结分析了颗粒介尺度结构形成原因和动力学演化过程的研究现状和发展动态。重点关注细颗粒与超细纳米颗粒形成的介尺度结构,即结块,并针对结块形成原因,讨论了颗粒间范德华力计算以及结块的力平衡理论模型,提出了细颗粒介尺度结构进一步的研究方向,即研究带有颗粒-颗粒作用力的介尺度结构的动态演化规律,为精准调控介尺度结构提供理论依据。

气固流化床介尺度结构形成机制及过滤曳力模型研究进展

气固流化床中,介于颗粒与宏观尺度间的复杂的时空多尺度结构(介尺度结构)将完全改变气固相间作用规律,加大了流态化系统调控及预测的难度。为此,需要构建考虑结构影响的相间本构关系。其中,曳力作为影响流态化动力学特征的主导因素,对其研究尤为重要。从结构产生演化的机制出发,概述结构影响曳力的机理,以模型构建流程的角度对结构和过滤两类模型进行总结,并重点综述过滤模型构建在提升准确性、有效性、通用性和考虑更多物理机制方面的最新进展。研究表明:提升模型通用性和考虑真实系统中更丰富的物理机制仍是建模中亟待解决的问题,结合结构演化机制理性建模和充分发挥机器学习数据分析处理优势或是曳力建模进一步发展的关键。

液滴模板法制备颗粒材料过程中介尺度结构调控的研究进展

以液滴模板法来制备颗粒材料,可通过对液滴以及颗粒界面介尺度结构的形成与反应的定向调控来实现对固体颗粒功能材料的高效制备和性能强化。深入研究液滴和固体颗粒界面介尺度结构与反应-扩散过程的相互关系及其定向调控规律,揭示反应与扩散过程的机制及其耦合,对于实现反应过程强化与理性调控具有重要的意义。本文主要介绍了液滴模板法制备颗粒材料过程中的介尺度结构调控的研究新进展,着重介绍了界面两亲分子聚集态介尺度结构对液滴形貌的定向调控及对液滴稳定性的影响、以及液滴界面传递与反应对颗粒材料介尺度结构的定向调控,以期为液滴模板法合成颗粒材料的反应过程强化与理性调控提供科学指导。

气固下行床中壁面对介尺度曳力的影响规律

传统介尺度曳力模型的构建通常基于全周期域的细网格模拟数据集,未考虑壁面的影响,而真实流化床反应器系统中的壁面条件会影响壁面附近的非均匀结构,进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力,因此研究壁面效应对介尺度曳力模型的影响很有必要。本文通过对拟二维全周期系统和不同床宽的周期下行床系统的介尺度曳力修正系数相对误差径向分布进行比较,探究了周期下行床中的介尺度曳力回归全周期系统曳力的现象,分析了曳力修正系数径向分布的影响因素。发现不同床宽下受壁面影响区域占整个床的比例改变较小,且曳力系数相对误差的值受该位置的固含率、固含率梯度、固相剪切率及粒化温度分布等因素影响,最后拟合了曳力系数相对误差关于径向位置的公式,并对过滤尺度对曳力系数相对误差的影响和一些变量关联曳力时是否已经隐性包含了壁面的影响进行了探讨。

气固流化床中介尺度流动结构研究进展

对近年来气固流化床中介尺度流动结构的基础研究进行回顾,分别阐述了稀疏气固流和稠密气固流中介尺度流动结构的识别方法,重点阐述了典型介尺度流动结构气泡和聚团的形成机理、流动特性、特征尺寸和预测模型。

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成,是复杂的多体相互作用体系,呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征,这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质.借鉴学科历史的发展途径,基于统计力学,从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是,颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上,表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化,缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识,从而制约了颗粒物质研究的发展.因此,开展颗粒体系结构和动力学性质的测量,是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所,近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究,主要集中于以下两个方向:(1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线-CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用;(2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果,以及国际最新进展和困难.最后是对全文的总结,结合笔者开展测量的经验和教训,提出了自己的看法,并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.

气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产,而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中,它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响,是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型;本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟,在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体,同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明,结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性,同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用,对模拟结果影响显著。

气固鼓泡床结构双流体传热模型及其模拟验证

介尺度结构显著影响非均匀气固复杂系统内的流动传递反应特性。构建了结构双流体传热模型用于模拟复杂气固系统内的流动传热过程,按照流动控制机制将鼓泡床系统划分成由气体主导的气泡相和颗粒主导的乳化相两个相互渗透的连续流体,进而确立考虑介尺度结构影响的控制方程及本构关系,其中相间曳力、乳化相黏度、相间传热系数及各相热导率均采用合理的经验关联式进行封闭。利用双流体传热模型与显式解析壁面流动和传热边界层方法相结合,对安装加热管的鼓泡床系统进行了模拟。结果表明:结构双流体传热模型可成功预测鼓泡床系统内固含率的轴向分布及床层壁面传热系数的变化规律;模拟结果与实验数据吻合较好,密相区壁面传热系数模拟值与实验值的相对误差小于10%,稀相区壁面传热系数的模拟值与实验值在同一量级,表明结构双流体传热模型可准确刻画鼓泡床系统内气固两相的流动传热特性。

气固流化床启动阶段挡板内构件受力特性的CFD-DEM模拟

流化床启动阶段内构件会受到较大的破坏性载荷冲击,为了保障流化床内构件的长周期可靠性,需要掌握这个阶段内构件在流化床内的受力特性。首先提出了一种统计内构件表面受力的方法,将微观颗粒-挡板作用信息转换为宏观挡板受力载荷信息。在此基础上采用CFD-DEM方法,统计分析了流化床启动阶段床层中水平挡板内构件的受力载荷特性。研究结果表明:CFD-DEM方法可半定量复现实验中启动阶段内构件表面受到的动态载荷信号,并复现了表观气速和颗粒粒径对挡板峰值载荷强度的影响规律。本研究证明了内构件表面受力载荷强度统计方法的正确性和CFD-DEM统计分析受力载荷的可行性。

基于粒子图像测速技术的快速流态化颗粒速度分布函数分析

量化非均匀气固流动特征对流化床反应器的设计和优化具有重要意义。反应器内颗粒团聚物的形成和演化使得系统远离平衡状态,从而导致颗粒速度分布呈现非麦克斯韦分布特征。本工作利用自适应粒子图像测速(PIV)、粒子追踪测速技术(PTV)及数字图像处理(DIA)相结合的实验研究方法,对快速流化床中的颗粒运动特性和速度分布函数进行统计分析。研究发现,无论在沿重力方向还是水平方向,颗粒速度分布函数均明显偏离麦克斯韦分布,而呈现偏峰长拖尾或双峰分布特征。使用双峰分布函数可以较好地拟合不同实验条件下的颗粒速度分布。进一步探讨了颗粒速度分布函数的各向异性和非麦克斯韦分布的影响因素,发现颗粒速度分布函数偏离理想分布的程度与颗粒团聚程度、局域颗粒速度脉动量及颗粒浓度脉动量大小正相关。这说明颗粒团聚物的形成和演化使气固流化系统远离平衡态,从而导致颗粒速度分布呈现非麦克斯韦分布特征。最后结合能量最小多尺度(EMMS)模型对稀密相结构进行解析,并与实验获得的速度分布函数进行了对比,发现实验结果符合EMMS模型的稀密相共存假设,证明了采用双峰分布对颗粒速度分布函数进行近似在理论上可行。