非平衡凝结流动的多流体模型

凝结两相流动中凝结过程与流场的强烈耦合使流动呈现高度的非平衡性,需要发展准确的多相流数理模型以更好地揭示非平衡凝结流动的过程机理。非平衡凝结流动过程中的相间滑移不仅会影响气相流场和凝结液滴的动力学行为,而且会影响凝结过程参数。建立一种适用于多组分凝结两相流动系统的多流体模型,同时引入气液相间速度滑移和两相温差的影响,对超音速喷管内湿蒸汽凝结流动进行验证与分析。结果表明,湿蒸汽两相流中相间滑移的存在对流动参数具有较大影响,提出的考虑相间滑移影响的多流体模型提高湿蒸汽凝结流动数值模拟的精度。在湿蒸汽凝结流动中,凝结初始阶段相间滑移和两相温差都非常显著,凝结结束后气液相基本接近平衡状态,相间滑移和气液相温差基本消失。

论多相流中单流体模型与多流体模型的统一性

本刊发表的“多相流的随体导数和基本方程”,一文认为对多相流的随体导数必须重新研究、定义,以使单流体模型和多流体模型能获得统一,并提出了一套建立随体导数的方法。本文作者认为[1]文的分析不仅在概念上有许多混淆之处,而且所提出的随体导数有些牵强附会,缺乏明确的物理意义,结果并没有使单流体模型和多流体模型真正统一。本文就随体导数的本来含义进行推导、分析,指出单流体模型和多流体模型的统一性。

基于群体平衡原理的液化天然气水下泄漏流动沸腾多流体模型的分析与应用

为模拟LNG水下泄漏流动沸腾过程,将群体平衡原理与多流体模型耦合为一套新的多流体模型,该模型以传统多流体模型为基础,纳入了群体平衡原理及MUSIG模型,并考虑了碰撞、聚合和相变等因素对气泡直径及数量密度的影响。使用新模型与传统多流体模型进行数值模拟,结果比较得出:新模型的模拟结果更加符合实际的气泡产生与生长发展过程,能够在较大范围内对两相流参数的多维分布和变化进行有效预测。

多流体模型在燃气轮机燃烧室三维反应流中的应用

对一种模型燃气轮机燃烧室中的三维反应流进行了数值模拟。模型燃烧室的燃料是 CH4 ,燃烧类型是预混燃烧。在数值模拟过程中 ,采用了 Spalding于 1 995年提出来的多流体模型来对燃烧室中的湍流预混燃烧进行了数值模拟。在数值模拟过程中考虑了辐射问题 ,采用了六通量辐射模型。通过数值模拟给出了速度、压力、湍流脉动动能、湍流动能耗散率、焓值、湍流粘度、温度、密度、燃烧产物质量分数、氧的质量分数、燃料 /空气混合比、燃料质量分数、空间三个方向的辐射热通量以及各种流体的质量分数等变量的分布情况。此外 ,还采用传统的旋涡破碎模型对此燃烧室进行了数值模拟 ,并对两种方法的结果进行了分析比较 ,由分析可以看出多流体模型的结果更接近于实际情况。

多流体高炉数学模型的开发和应用

基于多流体理论、冶金传输原理、反应热力学和动力学以及计算流体力学创建了多流体高炉数学模型,详述了该模型的基本框架、边界条件设定和求解步骤,并针对具体的高炉操作给出了模型预测的流场和温度场分布,最后结合实测数据对模型计算的有效性和精确度进行了验证。研究结果表明,多流体数学模型是模拟高炉炼铁过程的有效工具,可合理描述炉内现象,准确预测高炉操作指标。

垂直管道内层流泡状流运动的多流体模型

常用的描述泡状流运动的双流体模型采用一个平均尺寸对气相进行描述。不同尺寸气泡的运动和受力不同。当气泡尺寸分布范围较大时 ,不宜采用双流体模型描述泡状流。根据气泡的尺寸划分气相 ,采用时间平均法建立了描述垂直管道内层流泡状流运动的多流体模型。通过对气泡在流场中的运动和受力分析 ,给出了用以封闭模型的粘性应力、脉动应力、相间动量交换项的表达式。利用模型对具体实验进行了预测 。

托卡马克边界等离子体中钨杂质输运的多流体及动力学模拟

重杂质(如钨)聚芯是未来托卡马克反应堆中等离子体高性能运行所面临的严峻挑战.开展多流体及动力学模拟以研究氖杂质注入条件下,东方超环EAST托卡马克中等离子体高约束时的钨杂质边界输运特性.结果表明,低电离态钨离子主要聚集在碰撞率较高的偏滤器区域,流体近似可很好地满足;高电离态钨离子密度相对较低且主要位于碰撞率相对较低的芯部,多流体与动力学模拟结果差异显著;但二者计算的钨杂质总密度差异较小(<30%).多流体模拟中,除将钨离子考虑为74种流体外,还将电离能接近的钨离子进行价态捆绑.比较发现,价态捆绑可显著降低计算成本,但在高再循环(或部分脱靶)运行机制下可显著高估(低估)偏滤器区域等离子体温度(密度),从而大幅低估钨电离源及钨密度,其根源在于价态捆绑对钨离子平均电离态和偏滤器区域辐射功率损失的显著影响.模拟结果还表明,氖杂质注入促进偏滤器脱靶可有效缓解钨杂质聚芯.

基于CFD方法的宝钢1号高炉冶炼过程模型

采用计算流体力学(CFD)方法,建立了宝钢1号高炉(1BF)的多相流冶炼过程模型,对高炉内部多相物质的流动、质量转递和热传递行为同时进行模拟。该模型开发了具有层状结构的软熔带模型,能够细致呈现炉内软熔带形状和位置。倒V字形软熔带决定炉内煤气流二次分布,其状态受到高炉入炉焦比显著影响;不同焦比条件下软熔带状态变化规律较为合理。模型计算得到的气相和固相温度分布结果与1BF典型工况特征一致;炉喉处气相、固相的温度差接近100 K,在炉内高温区间的气固相最高温差达到493 K;煤气流分布模拟结果反映了宝钢开放中心、兼顾边缘的高炉操作特点。模型可根据高炉布料制度来调整径向O/C比和粒径分布,研究布料制度对软熔带影响,为高炉操作制度优化和高炉"黑匣子"炉内冶炼可视化提供了一种有效的手段。

生物质流化床快速热解多流体模拟的研究进展

多流体模型广泛用于生物质流化床快速热解过程的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟。本文总结了常用模型对模拟结果的影响规律:热解动力学模型影响模拟结果中热解产物的分布,所预测热解产物产率的准确性随着热解模型精确程度的增加而提高;气-固曳力模型不仅影响热解产物分布,并影响着生物质/炭颗粒的夹带行为,采用考虑介尺度结构的气-固曳力模型能获得与实验更加吻合的模拟结果;在多流体模拟中往往采用简化的颗粒内传热模型描述颗粒内的传热效应,但在不同报道中该模型对模拟结果的影响存在显著差异;颗粒缩径模型可预测反应器内生物质颗粒的粒径分布,主要影响生物质颗粒的流动行为。并结合团队的研究经历,对模型的选用及未来研究方向提出了观点和建议。

带导流管的喷动流化床湍流气-固两相流动模型的建立

带导流管的喷动流化床其流场属于湍流气-固两相流,流场特性复杂,影响因素较多,单纯使用实验方法难以全面描述床层内的流场特性.本文以湍流气-固两相流〔1〕理论为基础,选用k--εkp-pε-Θ5参数数学模型,按多流体模型以颗粒动力学理论封闭颗粒剪应力,建立了带导流管的喷动流化床湍流气-固两相流动模型,并对带导流管的喷动流化床内的流场进行模拟计算,模拟结果与实验数据吻和较好,最大相对偏差约为20%.

一般状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型和高精度多介质Piecewise Parabolic Method（PPM）算法模拟一般形式Mie—Gruneisen状态方程的复杂多流体可压缩流动。根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题，利用Strang分裂方法将一维算法直接推广到高维情况，不需要动能校正。二维多流体接触间断平移问题的模拟结果表明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，界面数值耗散很小，被控制在两到三个网格之内。本文还模拟了二维Riemann问题和激波同多流体交界面的相互作用，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。

k-ε-A_p两相湍流模型用于模拟悬浮床两相流动

从气固流动的kεAp 模型出发 ,对底部向上射流悬浮床内气固两相流动进行了数值模拟 ,得到了不同入口气速下各截面的颗粒相速度场和脉动速度场的分布 ,计算结果与实验定性一致。计算结果与实验值对比的结果表明 。

氧气高炉多流体数值模拟与分析

为研究不同氧气高炉操作流程及操作参数对高炉内部过程产生的影响,预测氧气高炉流程各参数的变化规律,基于多流体理论、冶金传输原理、冶金反应动力学与热力学理论以及计算流体力学建立了普通高炉多流体模型,并在此基础上修改边界条件及内部相关参数,建立氧气高炉多流体数学模型。通过建立的模型分别对普通高炉和气化炉氧气高炉(GF-FOBF)流程中的氧气高炉进行了模拟计算,得到两种工艺流程下高炉内温度场、浓度场和速度场等典型参数的分布情况。通过对计算结果的对比,分析了氧气高炉操作条件下炉内状态的主要特征和相对于普通高炉发生的变化,发现氧气高炉内部速度场、温度场均发生变化,特别是气相组分的均匀分布问题明显。本模型可为氧气高炉流程试验及流程开发提供参考。

Mie-Grüneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method（PPM）方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grüneisen状态方程。采用双渡近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡．而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2～3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激渡等物理问题。且具有耗散小精度高的特点。

Van der Waals状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

基于流体体积分数的混合型多流体数值模型,将Piecewise Parabolic Method(PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟,采用双波近似求解多流体van der Waals状态方程的Riemann问题.模拟高密度比且含有激波的可压缩多流体流动,典型的纯界面平移问题模拟结果表明,在接触间断的界面附近,压力和速度没有任何的振荡且界面数值耗散都被控制在2-3个网格之内;一维和二维算例表明,该数值方法可以有效地处理接触间断、激波和多维滑移线等物理问题,并能够比其它多流体数值方法更精细地模拟多流体交界面.

内交叉喷嘴内部冲击效应雾化机理研究

与传统的单圆柱孔喷嘴相比,内交叉孔喷嘴由于其具有较高的流量系数和在促进射流破碎方面的显著优势而逐渐得到应用.本研究利用OpenFOAM平台进行数值研究以讨论内交叉孔喷嘴的内部流动和射流破碎机理.采用已搭建的混合多流体准-VOF模型,对同孔径不同相交角为20°和25°的交叉孔喷嘴以及单圆柱孔喷嘴进行了多相流计算及实验验证.结果表明,计算结果与实验值有很好的一致性.与圆柱形单孔喷嘴相比,采用内交叉孔喷嘴能够有效抑制空化,提高流量系数.另外,表面波在交叉面和扩散面上的发展差异是产生扇形喷雾的主要原因.而增大内交叉喷嘴的交叉角在一定程度上可以有效提高内部冲击效应,从而促进雾化.

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。

高炉炼铁新技术的数学模拟研究

利用多流体数学模型对革新高炉炼铁技术进行了数学模拟,分析评价了革新操作对炉内现象及高炉生产指标的影响.这些革新炼铁技术包括高炉喷吹含氢物质实现富氢还原,高炉使用热压含碳球团实现低温炼铁,以及高炉炉顶煤气喷吹加强C和H的利用.多流体模型的模拟解析表明,高炉超高效率操作(高产、低能耗和低CO2排放)可通过这些革新技术的实际应用来实现.

列车用V型格栅气粒分离特性的数值模拟

采用多流体模型,即把颗粒相作为连续介质,同时考虑颗粒相对流体相的影响,根据该V型格栅的实际使用条件设定了对应参数,使用欧拉系下k-ε双方程模型模拟出含尘气流通过V型格栅时的气粒分离特性。计算了V型格栅内气粒两相流动,从而揭示了其内部气相压力场的分布与颗粒相浓度场的基本特征。并将模拟结果和试验结果作了比较和分析,阐明了利用CFD技术在工程设计实施前或产品生产(改造)前预测方案的实际效果与产品性能的可行性。

络合铁法脱硫反应器锥段硫磺沉降的数值模拟

络合铁法脱硫工艺在天然气行业应用广泛,将反应生成的硫磺富集回收是反应器稳定运行的关键之一。在反应器底部引入锥段对硫磺的富集、沉降和回收很有帮助,为了避免硫磺在锥段侧壁长期沉积和结块,应分层通入扰动气体。通入气量不能太小,以免达不到避免锥段侧壁硫磺沉积的作用;但也不能太大,否则会使得硫磺难于沉降。本研究采用欧拉多流体模型,对锥段硫磺沉降进行了模拟,研究了硫磺浓度和通气速度对硫磺沉降的影响。结果表明:硫磺浓度对沉降速度影响较小,而通气速度对沉降影响明显。随着气速的增大,硫浆沉降越来越慢,对所研究的体系而言,最大通气速度应小于0.75m/s。