基于稠密离散相模型的冲缝筛管冲蚀数值模拟研究

针对压裂返排过程中固体颗粒引起的冲缝筛管冲蚀问题,分析颗粒近壁面冲蚀行为,为井下防砂工具的冲蚀研究提供依据。利用计算流体力学方法,基于稠密离散相模型,编写用户自定义函数UDF,研究高砂质量分数下撞击壁面的数目、速度和角度等颗粒的运动特性。通过冲蚀速率增长率的变化确定临界冲蚀流速。结果表明,在压裂返排过程中,颗粒撞击速度随着入口流速的增加而增加,是引起冲蚀速率增加的主要原因。入口流速从6 m/s增加到12 m/s时,孔眼出口处的冲蚀速率最大值从3.54×10^(-2)mm/kg增长到3.42×10^(-1)mm/kg,增长9.66倍;颗粒撞击角度随着流速增加不发生变化;砂质量分数增加,导致入口处颗粒数量增加,颗粒撞击频率也增加,颗粒平均撞击速度更低,速度波动幅度增大,同时颗粒平均撞击角度波动幅度较大,且颗粒平均撞击角度降低。研究结果为冲缝筛管在油气田的应用安全性提供了一定参考。

基于蓄热式固定床气化装置的木质生物质固废气化CFD模拟

基于计算流体力学-稠密离散相模型,建立新型蓄热式气化装置的数值模拟模型,根据上吸式固定床气化特性优化了前处理设置,研究不同过量空气系数下炉内流体流速、压力、温度与组分的分布,分析炉内各组分质量分数在不同时刻及过量空气系数下的分布及演化规律。研究表明,颗粒床层为影响流体流速、压降的主要因素,流体流经床层产生了50~75 Pa的压降。炉内温度场呈现出明显的干燥-热解-还原氧化分区,各工况的温度曲线几乎重叠,大致存在4个拐点。在低过量空气系数区间,气化剂流率的提升对燃气组分影响不大。气化装置的设计有利于提升燃气中H2的质量分数及CO/CO_(2)的质量分数之比,有效提升了燃气热值。

水箱结构对固体颗粒沉积特性的影响

目前,工业循环水清洗设备的水箱通常占用较大空间,并且需要使用一定量的化学试剂处理污水,使污水中固体颗粒杂质快速沉淀并排出,导致污水回收和排放难度增大、成本提高。为解决水箱占地空间大、水箱中颗粒杂质不能及时沉淀以及环境污染等问题,针对铁路货车制动梁空化除锈机,设计一种占地空间小,具有自动沉积杂质、提供水循环等功能的独立水箱。通过Fluent稠密离散相仿真分析颗粒杂质在不同结构水箱中的沉积、分布规律,确定水箱中弯折挡板的弯折角度和数量,仿真结果表明,最佳结构的水箱可将颗粒杂质逃逸率降低至13.14%。搭建水箱颗粒杂质沉积试验平台进行颗粒杂质沉积试验,三次试验测得颗粒杂质逃逸率平均值9.87%,试验结果表明该结构水箱能够有效地降低颗粒杂质逃逸率,与仿真结果误差为3.27%。验证了水箱颗粒杂质沉积仿真模型与仿真结果的正确性和有效性。

火电厂脱硫循环泵叶轮的冲蚀磨损数值分析

火电厂脱硫循环泵叶轮易受腐蚀性浆液冲击腐蚀而失效,为进一步研究现实工况下叶轮发生冲击腐蚀的影响因素及规律,采用CFD数值模拟的方法,基于稠密离散相(DDPM)模型对循环泵叶轮在不同固相颗粒粒径和不同固相颗粒体积分数工况下进行数值模拟。结果表明:当粒径d<0.20 mm时叶片工作面冲蚀量增长速率最快,达到了38%,随着粒径增加,工作面上的冲蚀位置向后盖板处偏移,且叶片进口边出现冲蚀量极值。在不同颗粒体积分数工况下,随着颗粒体积分数增加,工作面上冲蚀位置会向出口处偏移。当颗粒体积分数在30%以上会加剧叶片工作面的冲蚀量。叶片进口边、叶片背面冲蚀量增长速率较为稳定,基本保持在20%上下。可见小粒径颗粒对叶片工作面冲蚀量影响较大,大粒径颗粒更容易加速叶片进口边的冲蚀。高颗粒体积分数对工作面的冲蚀更为明显。

化学爆炸条件下钚气溶胶扩散数值模拟

为了更加准确地描述化学爆炸后钚气溶胶的扩散过程以及分布规律,在化学爆炸过程仿真计算的基础上,建立了化学爆炸源项简化模型,提出了基于稠密离散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)的仿真方法。通过比对Green Field 2实验数据验证了方法的准确性,开展了化学爆炸条件下钚气溶胶的扩散行为数值模拟,讨论了钚气溶胶颗粒分布规律以及压力、速度的变化规律。结果表明:钚气溶胶扩散分布呈现蘑菇云状,粒径较大颗粒集中在烟云茎部或地面,粒径较小颗粒集中在烟云内部及顶部;化学爆炸后烟云内压力变化主要在0.1 s以前,烟云中心线上呈上升涡环状;颗粒速度分布呈喷涌状,并在激波到达时迅速达到最大值,而后缓慢下降。

基于气固两相流的抛丸砂运动轨迹数值仿真

利用FLUENT软件中的稠密离散相模型(DDPM),建立以空气为连续相、以抛丸砂为离散相的一个气固两相流数学模型,对抛丸砂在抛丸器内部流场中的运动进行数值仿真,分析了不同的定向套窗口方向下抛丸砂的运动轨迹,结论是改变定向套方向可以改变抛丸砂的出口速度和方向。通过FLUENT软件仿真模拟不同抛丸器几何结构下抛丸砂的运动轨迹,为抛丸器的优化设计、安装调试提供了理论参考依据。

稠密同轴气固射流的CFD模拟

同轴气固射流在能源领域具有广泛地应用,但大多数研究集中在颗粒浓度较低的工况。为了研究稠密同轴气固射流的流动特性,采用了稠密离散相模型(DDPM)耦合离散元模型(DEM)的方法对该体系进行计算流体动力学(CFD)模拟,该方法同时考虑了孔隙率对气固曳力的影响和颗粒间的碰撞作用。由于射流过程中,气体对颗粒的作用占主导,分别考虑了不同环形气体速度和气固曳力模型对气固流动的影响。模拟结果表明,该模型能合理地模拟在不同气速下稠密气固两相射流的颗粒弥散特性,与实验现象定性一致。在较高气速下,引入湍流模型对预测结果有显著影响,模拟得到的颗粒弥散程度较大。不同气固曳力模型对颗粒弥散的预测有明显影响,Wen&Yu曳力模型下颗粒弥散程度较大,Gidaspow模型次之,Syamlal&O’Brien模型给出的颗粒弥散程度较小。

基于DDPM模型的气力输送弯管冲蚀模拟

通过稠密离散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)和标准k-ε湍流模型探究了气力输送弯管的冲蚀情况和颗粒运动情况。数值模拟结果表明,颗粒流经弯管时,会撞击弯管外侧壁面的中部,导致此处弯管的冲蚀速率最大,冲蚀形貌呈现“V”型。在流体曳力和颗粒惯性力的共同作用下,弯管的冲蚀速率随气体速度的增加而增加,随管道压力的增加而减小,随弯管半径的增大而减小,由冲蚀角度考虑应尽量选择方位为竖直管道A的气力输送弯管,其冲蚀速率相对竖直管道B减小8.5%。

充填输送管道冲蚀磨损分析

为研究高体积分数固-液两相流对输送管道的冲蚀磨损程度,采用计算流体力学(CFD)和固液两相流理论,建立冲蚀磨损及流场模型,采用欧拉模型中的稠密离散相模型(DDPM),利用Ansys中的流体动力学模块,对输送管道中的颗粒流场特性和颗粒对管道的冲蚀磨损进行分析。结果表明,入口速度较低时冲蚀主要集中在水平管靠近出口附近,随着入口速度的增加,冲蚀区域逐渐移到弯管附近,且管道的最大冲蚀量有降低的趋势;冲蚀率的大小既与冲蚀速度有关,也与颗粒体积分数有关,当两者符合一定关系时,冲蚀率达到最大。

基于DDPM的螺旋离心泵磨蚀特性分析

应用雷诺涡黏模型、DDPM(density discrete phase model,稠密离散相模型)及颗粒直径Rosin-Rammler分布方法,以黄河含沙水为介质,对一台100LN-7型螺旋离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟,并与基于Mixture混合多项流模型的泵内两相流动数值模拟结果进行对比分析,得到不同粒径和固相体积分数对应的泵过流部件的磨蚀规律及磨蚀强度.结果表明:颗粒混合状态不同会形成不同的粒径分布,混合粒径中平均粒径增大导致叶片进口边及工作面轮缘线附近磨蚀强度增大,平均粒径为1mm时整台泵过流部件磨蚀率达到最大值,平均粒径继续增大磨蚀率反而降低;固相体积分数的增大使整台泵过流部件的磨蚀强度显著提高,叶片背面较其他部位磨蚀强度大;Mixture模型下固相体积分数较高部位与稠密离散相模型下颗粒磨蚀部位相对应,局部区域存在较高体积分数的固相颗粒增加了过流部件表面发生磨蚀的几率,但DDPM模型数值模拟表明只有部分颗粒参与局部区域的塑性磨蚀.

基于DDPM模型的化学链燃烧中二元颗粒定向分离过程放大模拟

以拉格朗日法为基础,采用耦合离散元法(DEM)颗粒碰撞模型的稠密离散相模型(DDPM)对兆瓦级化学链燃烧放大系统中炭颗粒分离器进行数值模拟研究,探究其中载氧体(OC)/煤焦(Char)二元颗粒物的定向分离特性,进一步研究了热态条件和下降管出口压力对二元颗粒物分离效果的影响,为炭颗粒分离器在热态条件下的运行稳定性以及下端与空气反应器之间的独立性提供数据支撑。结果表明:放大后的炭颗粒分离器因为分离空间与时间的增加,使载氧体/煤焦二元颗粒物的分离效果更好;同时,在热态条件下因气体黏度增大,使得煤焦分离效率进一步提升;此外,下降管出口压力的适度提升也能提高炭颗粒分离器的分离效率。

旋流流化床内的流动及传热特性

采用欧拉-拉格朗日混合方法,对旋流流化床的流动及传热性能进行相关研究;对旋流流化床中床层局部空隙率和颗粒旋流速度进行预测,在此基础上探讨反应器内壁面的磨损行为,分析运行状态对于磨损行为的影响;进一步对床层与壁面间的传热行为以及气固相间传热行为、操作速度的影响等进行研究。结果表明:床层空隙率分布以及颗粒旋流速度大小对于操作速度的变化较为敏感,稳定旋流模式下壁面磨损大幅增强;小颗粒相表现出更好的相间传热性能。