立式粉体干燥器内二元湿颗粒气-固逆流过程的数值模拟

【目的】为了研究二元湿颗粒在立式粉体干燥器干燥单元气-固逆流过程中的流动特性,分析不同条件下二元湿颗粒的空间分布情况,实现二元湿颗粒在气-固逆流过程中的优化设计。【方法】采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合液桥力模块的分析方法,分别探讨颗粒含水质量分数、粒径比和质量比对二元湿颗粒流动特性的影响及液桥力变化规律。【结果】在气-固逆流过程中,颗粒质量分数在径向和轴向分布上呈现“边壁大中心小”“上大下小”的规律;颗粒速度随着轴向高度的增加而增大,从边壁区域到中心区域的颗粒速度呈现减小趋势;随着颗粒含水质量分数和粒径比的增加,颗粒的运动由接触力和液桥力共同控制逐渐变成液桥力占主导,干燥单元顶部容易堵塞;随着质量比的增加,接触力对颗粒运动的控制进一步加强,在颗粒含水质量分数较小的情况下占主导作用。【结论】较大的质量比可以缓解干燥单元顶部堵塞,同时要选取适当的颗粒含水质量分数,才能削弱颗粒结块对流动特性研究的干扰。

考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度

为了保护综合能源系统中不同运营主体的信息隐私,权衡系统运行低碳性和经济性,解决天然气网络鲁棒模型难以求解的问题,提出了考虑碳-绿证耦合机制的电-气-热综合能源系统分布式鲁棒低碳经济调度方法。考虑天然气网络和热力网络的动态特性、碳-绿证耦合机制,构建综合能源系统动态低碳经济调度模型;为了保护各网络运营商的数据隐私,根据能量耦合关系对综合能源系统解耦,建立电-气-热网络的分布式协同优化模型;在此基础上,考虑风电出力和多能负荷的不确定性,提出基于一致性交替方向乘子法的分布式鲁棒优化框架,并利用二阶锥对偶理论与交替优化方法实现含二阶锥约束和二元变量的鲁棒子问题求解。以修改的IEEE 39节点电力网络、比利时20节点天然气网络和15节点热力网络为算例进行仿真分析,验证所提方法能够在源荷不确定性条件下实现综合能源系统各网络分散自治运行,同时兼顾系统运行的低碳性和经济性。

低压高含水致密气藏气-水相渗特征及生产动态响应

气-水相渗曲线反映储层综合物性特征,明确致密砂岩气-水相渗行为与气井生产动态的关系,有利于致密气藏高效开发。以鄂尔多斯盆地东缘典型致密砂岩气藏为研究对象,将储层分为3类并开展气-水相渗实验,结合X射线衍射、扫描电镜和核磁共振等岩心分析手段,揭示气-水相渗与气井生产动态曲线的关系。结果表明:①Ⅰ类相渗曲线两相过渡区较宽,孔隙类型以粒间孔为主,Ⅱ类相渗曲线两相过渡区较窄,孔隙类型以粒间孔和晶间孔为主,Ⅲ类储层相渗曲线两相过渡区极窄,孔隙类型以晶间孔为主;②储层黏土矿物含量高,高岭石和绿泥石有利于气水两相流动,伊利石不利于气水两相流动;③孔喉差异大,大致分为3类:中—粗孔喉(大于1.0µm)、细孔喉(0.1~1.0µm)和微孔喉(小于0.1µm),Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类储层的中—粗孔喉占比分别约为40%、10%和4%;④根据上述3类储层的气-水相渗特征,可将气井分为3类,其生产动态特征与相渗曲线预测结果均相符,Ⅰ类井主要产层为Ⅰ类储层,有效厚度约为7 m,平均日产气量约为2×10^(4) m^(3),稳产时间长,Ⅱ类井主要产层为Ⅱ类储层,有效厚度约为5 m,平均日产气量约为1×10^(4) m^(3),Ⅲ类井主要产层为Ⅲ类储层,有效厚度约为6 m,平均日产气量约为0.5×10^(4) m^(3),稳产时间极短。通过分析致密砂岩气-水相渗特征预测气井生产动态,揭示了孔隙结构和黏土矿物对气水流动行为的影响,可为制定低压高含水致密气开发过程降阻提效措施提供理论支撑。

级联式气-液旋流分离器流动特性数值研究

为探究级联式气-液旋流分离器流场特性,了解短路流这一特殊流型对其性能影响,采用雷诺应力模型和离散颗粒模型对气、液两相流动特征进行数值模拟,通过Q准则对涡流特征进行识别。研究结果表明,级联式气-液旋流分离器一级旋流管内流动特性与传统旋流分离器相似,增加二级旋流管使级联式气-液旋流分离器内形成了大量的局部二次涡流。当入口气速为7 m/s时,级联式气-液旋流分离器中一级旋流区内短路流流量高达入口流量的70.28%;增设二级旋流管对改善分离器性能具有重要作用,两级分离后级联式气-液旋流分离器对直径6μm以上的液滴能够实现完全分离。本研究为气-液旋流分离器的结构开发和级联式气-液旋流分离器的应用提供了思路和基础数据。

微生物强化曝气-抽提处理低含油污泥效能研究

采用微生物固定化辅以AS曝气抽提处理处置含油污泥。以现场油泥为来源,筛选了5株石油降解菌,室内实验结果表明,其中WJ-1菌、WJ-4菌,WJ-5菌降解效率相对WJ-2,WJ-3较好。5种菌株均随着培养基含油率增加,降解效率降低,但高于10%含油率时,5种菌株降解效率均显著降低。利用以石油降解菌为核心的生物技术,采用麦麸为原料,通过包埋固定化的方式制备生物菌剂,并设计曝气-抽提反应堆。在优化曝气参数的条件下,分别投加液体菌剂5 m^(3)和固体菌剂10 m^(3)进行实验,曝气量为15 m^(3)/h,连续处理40 d后,污泥含油量分别为1.76 mg/g和1.82 mg/g,含油率小于0.3%,实现了污泥的无害化处理。

煤层气储层气-液-固多相渗流规律研究

揭示储层非饱和流阶段煤粉运移产出规律,对煤层气高效排采具有重要现实意义。基于气-液-固三相流模拟装置,通过设定不同煤粉粒径、注入流速、裂缝宽度和煤粉质量分数等条件,开展了煤层气储层非饱和流阶段煤粉产出运移特征试验,并分析了煤粉沉淀量、产出量及煤岩气相与液相渗透率变化特征。研究表明:随着裂缝宽度增加,煤粉产出量呈现出逐渐增大的趋势,沉淀量呈现出先增大后减小的变化特征,在裂缝宽度为0.1 mm时达到最大值;随着煤粉质量分数的增大,产出量表现为先增大后减小(峰值点在0.15‰附近),沉淀量逐渐增大,说明煤粉在储层中运移存在一定的单位体积含量极值,超过极值后,煤粉将大量沉淀并堵塞孔裂隙;合理控制煤层气产水产气速率,能够有效地控制煤粉的产出,煤粉沉淀量和产出量随着注入流速的增长均呈现出先增大后减小的趋势,注入流速为5.0 mL/min时的煤粉沉积量最大,在流速为7.5 mL/min时煤粉产出量相对较高;液相渗透率演化特征呈现出逐渐降低和先稳定后逐渐降低2种变化趋势,气相渗透率演化特征较为复杂;综合注入压力、煤岩渗透率变化、煤粉产出和沉淀特征,可将煤粉在裂缝中运移划分为缓慢沉积、快速沉积和完全堵塞3个阶段。

天然气储层裂隙中气-液两相流的流态转变条件数学模型

气-液两相在储层裂隙中流动时可能存在气泡流、段塞流、环雾流等流态,查明流动时流态转变条件能为气-液两相流流态形成机理研究提供依据,有助于天然气井的生产管控。根据气-液两相流不同流态的流动特点,结合连续介质控制理论和动量守恒原理,构建了气泡流-段塞流-环雾状流等流态之间转变的数学模型,确定了各流态间变化的临界条件和主控因素,通过气-液运移产出微观流动物理模拟试验验证了所建数学模型的准确性。结果表明:气-液两相在裂隙中的流态转变是气/液相的物理性质、注气通道孔径、裂隙流动通道孔径、气相流体流速、液相流体流速等因素耦合作用的结果。气泡流与段塞流能否转变主要取决于初生气泡大小、流动通道空间、液相界面波高度;段塞流与环雾流间能否转变取决于气相流体能否击碎液相流体并使之悬浮。不同流态间转变的主要控制因素不同:气泡流与段塞流相互转变的主控因素为裂隙系统的孔径,注气通道孔径越大、流动通道孔径越小,越容易发生段塞流;段塞流与环雾流相互转化的主控制因素为流体流速、气/液相流体的物理性质,气/液相对速度越大、气/液密度差越小、液相表面张力越小,越容易发生环雾流。研究成果能够为天然气储层裂隙中气-液两相流态形成机理和天然气运移产出研究提供理论依据。

致密砂岩孔隙尺度下气-水界面动态演化可视化实验研究

水相圈闭是非常规天然气开发面临的主要储层损害问题之一,采用岩心驱替实验无法直观揭示孔隙内部气水两相分布和流动演化过程,因此,对水相圈闭损害微观作用机理的认识有待提高.根据致密砂岩铸体薄片,设计出一维通道和二维孔隙网络两种玻璃芯片模型,可视化研究了孔隙尺度下渗吸和返排过程中气-水界面演化和两相流动行为;结合岩心驱替实验,探讨了孔隙尺度气-水界面演化与致密砂岩宏观气体流动的关联机制.结果表明:(1)孔隙尺度下气-水界面随含水饱和度的增加由水膜水气-水界面向毛管水气-水界面演化,并主要通过卡断和绕流两种形式破坏气体流动连续性;(2)优势通道既是孔隙尺度下水相返排的快速走廊,也是气泡运移和贾敏效应发生的主要通道,是造成储层产水但不产气的一个重要原因;(3)孔隙尺度下气-水界面演化引起的水封气现象是水相圈闭损害的具体微观作用形式,宏观表现为岩心尺度上水相难以彻底返排和气体渗透能力不能完全恢复.实验结果可为储层岩石孔隙尺度下水相圈闭作用机理和气水可动性分析提供理论依据.

基于气-液传质强化的湿法烟气脱硫CFD模拟研究

针对燃煤电厂烟气脱硫过程中,高硫煤燃烧产生的高含硫烟气高效脱硫难题,通过计算流体力学(CFD)开展了钙法烟气SO_(2)高效脱除研究,提出了基于塔内筛板构件及喷淋系统优化的多手段耦合增效方法。建立了宏观脱硫塔尺度下涵盖喷淋吸收-筛板鼓泡吸收的SO_(2)多形式吸收脱除耦合模型,获得了浆液下落过程中的pH及SO_(2)吸收速率变化规律,并研究了湍流构件对脱硫塔内的气液混合流动、相内相间传质、浆液内部化学反应等过程的影响机制。探究了筛板对于脱硫塔脱除效率的强化机制,并进一步开展了筛板布置位置优化设计研究。同时,针对脱硫塔喷淋系统开展了优化设计研究,通过对比研究获得了喷淋系统优化后布置方案。基于所提出的脱硫塔多手段耦合增效方法,研究了包括液气比、浆液粒径及入口烟气SO_(2)浓度等不同参数影响下的脱硫塔SO_(2)脱除性能,发现通过塔内筛板构件及喷淋系统优化多手段协同增效后,可实现不同工况下脱硫塔SO_(2)脱除效率提升3%~8%。

基于固-气-液耦合的气垫船水下辐射噪声数值分析

气垫船水下声辐射是复杂的船体结构-气垫-周围水体三类介质声振耦合过程,其声传递特性是气垫船声学分析中的难点。本文以某全垫升气垫船为研究对象,结合声固耦合有限元法与解析法,探究气垫船水下辐射噪声传递特性。通过建立固-气-液声固耦合有限元模型,计算机械激励与垫升风机声激励,并以试验固有频率修正数值模型;通过声透射解析公式计算空气螺旋桨、燃气轮机等设备声激励辐射的水下噪声。采用距离左、右舷1 m处线上各点的总声压级作为评价指标。结果表明:气垫船水下辐射噪声为宽带噪声;有限元法计算的水下辐射噪声在低频时集中分布于气垫-周围水体耦合面附近,随着频率的升高,水下噪声增大并逐渐呈不规则干涉状分布;空气螺旋桨等声激励直接辐射水下噪声主要为近场低频噪声,在设备声激励辐射范围内声压平均占比约为40%。本文揭示的水下辐射噪声传递特性对气垫船减振降噪具有重要指导意义。

气-液界面染毒系统中不同暴露流量对汽油发动机尾气致肺细胞氧化应激相关蛋白表达的影响

目的采用气-液界面(air-liquid interface,ALI)培养和暴露系统,探索二轮摩托车来源的汽油发动机尾气(gasoline engine exhaust,GEE)对人肺细胞氧化应激相关蛋白表达的影响。方法实验分为空白对照组、洁净空气组、GEE组。除了空白对照组,其余各组采用气-液界面体外染毒技术,分别在暴露流量为10、15和25 mL/min,37℃水浴条件下,对生长在气-液界面插件多孔膜上的人支气管上皮细胞BEAS-2B和人肺癌A549细胞持续暴露60 min。利用Cell Counting Kit-8(CCK-8)法评价细胞相对存活率。采用2′,7′-二氯荧光黄双乙酸盐(2′,7′-dichloro-dihydro-fluoresceindiacetate,DCFH-DA)探针检测细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平。Annexin V-FITC细胞凋亡检测试剂盒检测GEE对BEAS-2B和A549细胞凋亡及坏死率的影响。蛋白质免疫印迹法检测全细胞裂解物中核因子红细胞2相关因子2(nuclear factor erythroid-2-related factor 2,Nrf2)和血红素氧合酶1(heme oxygenase-1,HO-1)蛋白表达水平。结果在10、15和25 mL/min三种暴露流量下,随着暴露流量增大,GEE暴露组的2种细胞相对存活率逐渐降低、胞内ROS生成量和细胞凋亡率逐渐升高,且与洁净空气组相比,存在统计学上的显著性差异(P<0.05)。BEAS-2B和A549细胞相对存活率、胞内活性氧水平、早期凋亡率、晚期凋亡及坏死率和总凋亡率在GEE暴露和暴露流量上存在主效应,且GEE暴露与暴露流量存在交互效应(P<0.01)。在GEE暴露组,BEAS-2B细胞Nrf2和HO-1蛋白表达下降,A549细胞Nrf2和HO-1蛋白表达水平升高。BEAS-2B细胞Nrf2蛋白表达仅在暴露流量主效应上差异有统计学意义(P<0.01)。BEAS-2B细胞HO-1蛋白表达仅在GEE主效应上差异有统计学意义(P<0.01)。A549细胞Nrf2蛋白表达在GEE主效应、暴露流量主效应和交互效应上差异均有统计学意义(P<0.05)。A549细胞HO-1蛋白表达则在GEE主效应、暴露流量主效应和交互效应上差异均无统计学意义(P>0.05)。结论GEE对肺细胞具有较强的急性毒性作用;GEE诱导的细胞存活率、胞内活性氧生成和细胞凋亡率的改变受暴露流量的显著影响。暴露流量对GEE诱导的BEAS-2B和A549细胞Nrf2蛋白表达的影响显著,而对HO-1蛋白表达影响不显著。

半潜式海上漂浮式风力机气-水动全耦合分析

针对传统水动力学求解软件与其他数值分析代码不能充分考虑叶片气动载荷分布、涡尾迹结构以及风波耦合效应。通过STAR-CCM+中具有叠加运动和悬链线系泊求解器的动态流动相互作用模块建立一套气动-水动-系泊完全耦合动力学方法,开发较为可靠的漂浮式风力机数值模型。通过分析平台自由衰减曲线、6自由度响应以及风轮气动性能验证了所提耦合模型的可靠性;三维可视化流场分析表明,漂浮式风力机在波浪载荷作用下产生6自由度运动,叶片表面与涡管产生的脱落涡与塔架、机舱后方尾涡相互作用,加剧流场复杂性。结果可为漂浮式风力机流场优化与设计提供一定理论参考。

煤与瓦斯突出过程气-固颗粒抛出规律及突出矿井风险等级划分方法

为了揭示煤与瓦斯突出气-固颗粒抛出流演化规律,基于离散元数值模拟方法,提出了现场统计数据与数值模拟相结合的方法;研究了煤与瓦斯突出气-固颗粒两相流的发展过程,揭示了喷出的煤颗粒及瓦斯的运动轨迹变化规律;基于主成分分析法(PCA)和模糊综合评价法(FCE),实现了对27处突出矿井危险性的分级。结果表明:煤与瓦斯突出分成4个阶段,煤与瓦斯突破石门阶段,煤与瓦斯混合冲击阶段,煤与瓦斯突出两相流分流阶段和煤与瓦斯突出衰减阶段;随着突出的发展,煤与瓦斯突出两相流发生分流;瓦斯运动速度较高,主要在巷道上方运动,多数煤颗粒则沉降至巷道底端,前方少部分煤颗粒在瓦斯裹挟下继续向前移动,运动轨迹比瓦斯更为复杂;通过数值模拟得到3处突出矿井煤颗粒抛出量分别为121.5、42.7、320.32 t;经PCA-FCE综合评价,27处煤与瓦斯突出矿井包括一般突出矿井16个,严重突出矿井11个。

气-液两相流装置的控制和不确定度评定

气-液两相流具有复杂的流动状态从而导致其无法被准确地控制,针对一套气-液两相流装置,对装置的压力-流量控制进行了研究,并对气-液两相的联合控制进行了实验,结果表明压力对控制具有较大影响。在控制过程中需要保证压力的不变,而气-液两相的联合控制具有变化的一致性,可通过研究一致性实现气-液两相的准确控制。同时对该装置的气-液两相流分量分别进行不确定度评定,结果表明,装置气体流量的U_(r)(Q_(v,air))=3.8%(k=2);装置液体流量的扩展不确定度U_(r)(Q_(v,liq))=3.2%(k=2),可对气-液两相的流量进行准确显示。

喷嘴布置对提升管内气-固流动特性及传热传质的影响

催化裂化提升管内良好的相间传热与传质、气-固流动特性可为催化裂化装置提供有利的反应环境。以某炼油厂1.80 Mt a催化裂化装置的提升管为模型,通过数值模拟方法研究了4种不同喷嘴布置对提升管内气-固流动特性及传热传质的影响。模拟结果显示:喷嘴数量为8、喷嘴倾角为30°的布置(布置B)下提升管内催化剂固含率分布和原料油的油气分布均优于其他布置;提升管内相间传热非常迅速,4种喷嘴布置下气-液-固三相温度场分布几乎一致,其中布置B下原料油雾滴分布相对较为均匀。通过对原料油雾滴蒸发情况进行评估,发现布置B具有最好的蒸发效果,有利于催化裂化反应的进行和改善产品分布。

气-液置换法测量多孔滤膜孔隙率的方法评价

孔隙率是多孔膜材料的重要技术参数,与其渗透过程密切相关.气-液置换法在常温条件下操作,可测得多孔膜通孔的孔隙率,能准确表征多孔膜的渗透性能.本文阐述了气-液置换法测试多孔膜孔隙率的测试原理和实验方法,并进一步开展了该方法对不同材料膜、不同孔径膜、不同测试液体等普适性和方法精密度、方法比对的评价研究.结果表明,该方法原理科学、操作简单、精密度高,是适用于各种材质、不同种类、不同孔径大小多孔膜孔隙率测试的普适性方法.

气-液置换法测量多孔膜的孔隙率

孔隙率是多孔膜重要的孔性能参数,现行标准测量方法在适用性方面具有一定的局限性,且不能准确表征分离膜的渗透性能。气-液置换法可在常温条件下完成,测出多孔膜通孔的孔隙率。文中对气-液置换法测试多孔膜孔隙率的测试原理、试验方法、测试条件等作了系统的研究和阐述,并进一步开展了方法精密度、方法比对的评价研究。结果表明,升压过程是气-液置换法测试孔隙率的关键,其终点是当湿曲线由陡峭上升的曲线转变为平缓上升的直线后。该方法原理科学、操作简单、精密度高,测试结果能够准确地反映多孔膜的渗透性能。

气-液复合液滴撞击超疏水壁面的实验研究

采用实验方法研究了气-液复合液滴撞击超疏水表面的动力学过程,考察了撞击过程中复合液滴内部空腔破裂的临界条件,及其铺展系数最大值和动态变化的特性,并分析了其与单相液滴撞击现象的区别。实验结果表明:发生空腔破裂的临界阈值随液体黏度的增加和气-液直径比的减小而增加。最大铺展系数随液体黏度和空腔尺寸的增加而减小,推导出了复合液滴空腔破裂临界阈值的理论公式,以及适用于气-液复合液滴最大铺展系数的理论模型。此外也研究了复合液滴撞击后的接触时间,发现在3种气-液直径比下,复合液滴的接触时间均小于单相液滴,并提出了无量纲接触时间随直径比变化的理论公式。

固体火箭发动机气-固两相近壁湍流特性大涡模拟研究

固体火箭发动机内流场是典型的两相湍流流动,其流动特性对推进剂的燃烧影响极大。工程实践中大多采取雷诺平均(RANS)方法计算两相流问题,精度不高且无法解析流场中的湍流结构。采用大涡模拟(LES)与离散颗粒模型(DPM)分别对纯气相和气-固两相条件下的发动机内流场流动过程进行了数值模拟;通过对时均流场与瞬态流场的分析以及对近壁面(即注入表面)的物理参数开展时空平均,重点研究了近壁湍流特性;采用时空相关性分析与降阶变分模态分解(RVMD),重点探究了近壁面的旋涡脱落。结果表明,颗粒集中在内流场的中部,由于惯性的差异,越大的颗粒越接近中心;由于颗粒相与气相之间存在速度滞后和热量交换,颗粒相的注入会使内流场的轴向速度和温度降低、压强升高;发动机内流场会出现明显的壁面涡脱落,而颗粒相的引入会增加内流场的不规则扰动,从而使得旋涡脱落、破碎的位置提前,并减小涡结构的尺寸,使观察到的旋涡更加破碎;颗粒相的引入还能够减缓近壁面附近的温度梯度,抑制不稳定燃烧现象;同时,颗粒相的存在会使近壁面的径向速度降低、压力升高,降低和升高的幅度约为1.8%。对近壁面的压力振荡分析表明,颗粒相的存在能够抑制高频压力振荡的产生,使得纯气相条件下1853 Hz的振荡模态消失,只保留1425 Hz的模态。纯气相和气-固两相流场的脱涡位置分别为x/m=0.54、x/m=0.44,说明气-固两相流场旋涡脱落的位置更靠前。

特高压直流套管气-固界面长时闪络放电特性及其影响因素

胶浸纸(resin-impregnated paper,RIP)干式套管内部的SF_(6)气体与环氧树脂浸纸电容芯体组成的气-固界面是套管内部易发生放电的绝缘薄弱点。该文搭建闪络放电特性实验平台,测试套管环氧浸纸试样和芯体模型在不同表面状态、微粒影响下的表面电荷分布,揭示多种因素对表面电场及闪络特性的影响机制。同时,对套管芯体缺陷试样长时局部放电至闪络放电发展过程进行试验验证。结果表明:高压侧区域套管气-固界面存在高分散性的纤维凸起,运行过程中吸附微粒,在直流电压作用下电荷积聚和电场畸变引发微弱起始局部放电;长期的电压作用使电荷积聚加剧,电场畸变程度进一步增大,局部放电频次和幅值逐步增加,最终导致贯穿性闪络放电。该研究可为胶浸纸套管芯子表面处理工艺的优化,以及长期直流下闪络放电的抑制措施的制定提供理论和实验依据。