基于群体平衡模型的石油沥青质絮凝机理

石油沥青质的絮凝会导致石油在生产、加工和运输过程中出现许多严重问题。不同根据地以及储存条件下沥青质组成差别很大,且絮凝机理尚不明确,很难根据现场情况选择合适的沥青质沉积抑制剂。为研究石油沥青质的絮凝机理,对沥青质絮凝动力过程进行实验探索并利用群体平衡模型进行数值模拟,实现对沥青质絮体粒径、结构及强度的调控以及对絮凝系统的预测。实验研究了沥青质浓度、甲苯与正庚烷溶剂体积比和剪切速率对絮凝过程的影响,同时在群体平衡模型中引入絮体结构模拟絮凝过程。实验结果表明沥青质颗粒絮凝过程主要受剪切速率的影响,考虑了絮体结构变化的群体平衡模型模拟结果更为准确。研究结果对解决石油生产、运输和加工过程中的沥青质的聚沉问题具有现实指导意义。

基于群体平衡模型对泡沫混凝土浆体含气量的研究

泡沫混凝土作为一类新兴的建筑材料,由于其自重轻、保温、强度要求低等特性,越来越多应用于各种复杂的环境。在泡沫混凝土生产的过程中,总会伴随着大量的气泡破裂和融合,这为设计预期干密度的泡沫混凝土带来了很大的困难。通过比较三种不同发泡剂生产的泡沫在不同的搅拌速度下的含气量变化,提出了一种新的模拟含气量变化的模型,为设计符合预期密度的泡沫混凝土提供更深入的理论支撑。

两相及多相体系的离散相行为与群体平衡模型

气体、固体和液体共存的两相及多相系统广泛存在于自然界和过程工业领域。两相及多相系统的研究方法有直接模拟法、离散颗粒模拟和双流体模型等.直接模拟法和离散颗粒模拟需要研究离散相的特征及物理过程,而提高双流体模型的精度,也必须注意离散相的分布特征以及微观行为,以确定相间相互作用.群体平衡模型作为一种联系离散相微观行为与宏观表征的方法,已经成为研究离散系统的有效工具。群体平衡模型可以描述不同操作过程离散相实体的微观行为.结合不同的多相系统的特点,对群体平衡模型的物理意义、方程形式和应用进行分析,从计算资源消耗、实现难易程度及其计算精度三方面对群体平街模型求解方法进行了比较,提出了群体平衡模型应用中存在的问题和发展方向.

体积属性的群体平衡模型矩积分方法研究

研究以体积为内部属性的群体平衡模型的矩积分求解方法。以各向同性离散相系统的实体聚并、实体破碎和长大等为例,介绍了矩积分求解方法的求解过程。三个算例的模拟结果表明,与分析解相比,以体积为内部属性的群体平衡模型的矩积分求解方法相对误差在10^(-5)以内,具有高精度、低计算量的特点,并具有数目和体积的自守恒性。

两种群体平衡模型在大规模多粒径泡状流中的应用研究

为了研究大规模多粒径泡状流流动特性,考虑到气泡聚并、破裂等微观机制现象对气泡尺寸、数密度等宏观参量的影响,分别采用两种基于群体平衡方程的数学模型———群数密度传递(BNDT)模型与多气泡组质量传递(MUSIG)模型,对具有聚并主导趋势特征的多粒径气液泡状流实验MTLOOP进行数值模拟,并与实验进行了对比研究,结果发现:两种群体平衡模型均可以较准确地捕捉到多粒径泡状流中气泡尺寸变化趋势以及含气率分布特征转换,且预测精度相当;与MUSIG模型相比,BNDT模型计算时间节省了1/20～1/10,因此更适用于火箭工程中大型气液泡状流的工程预测.

基于群体平衡模型的旋流萃取元件的数值模拟

以旋流萃取元件为研究对象,建立了物理模型,通过流体分析软件ANSYS 15.0对液液两相流场进行数值模拟。选用群体平衡模型,考虑液滴的破碎、聚并,通过加载源项考虑相间的传质行为。研究结果表明,随着计算时间的推移,分散相的索特直径分布从Log-Normal初始化分布到小液滴占多数、再到大液滴的较均匀分布,可作为分析萃取过程的方法之一。在处理量一定的情况下,随着被萃取组分含量的增大,萃取率也相应增大;在被萃取组分的含量一定的情况下,萃取率随连续相流速的增大呈先增大后减小的趋势,过大的流速使得两相没有足够的接触时间,导致萃取率降低。本研究可为进一步认识群体平衡模型模拟液滴行为以及液-液分散过程提供一定的指导。

基于群体平衡模型的污泥絮凝-沉降三维模拟

针对在实验室中观测污泥絮凝-沉降过程及污泥颗粒絮团粒径分布情况存在盲点的问题,运用群平衡体模型(PBM)定义污泥颗粒的的尺寸,通过Lou模型与Ghadiri模型分别模拟污泥颗粒间的聚合及破碎机理,耦合PBM及两相流混合模型对Jeriffa De Clercp等在沉降桶内的污泥沉降实验进行三维数值模拟。结果表明:本模拟所选用的数学模型及方法能比较合理地反映污泥颗粒絮凝-沉降过程的变化规律,并且具有一定精度;在固定水深处小粒径絮团数量随时间的推移不断减少,大粒径絮团数量随时间的推移先增加后减少,但是随着水深的增加污泥絮团的粒径分布范围逐渐变宽,大粒径污泥絮团的数量逐渐增多。

采用群体平衡模型模拟多段环流反应器内的气-液两相流动

采用RNGk-ε湍流模型、欧拉-欧拉双流体模型和群体平衡模型(Population balance model,PBM),对一种中心气升式多段环流反应器的内部流场进行了数值模拟,并对反应器内导流筒分段位置进行了对比研究。结果表明,与均一粒径方法相比,采用PBM模型得到的气含率、循环液速和气泡粒径的分布规律与实验值吻合较好,可以更加准确地模拟环流反应器的流场及气泡运动规律;多段环流反应器分段位置的调整可以有效解决局部横向混合不均等问题,将分段位置下移可以提高下降区循环液速,减小气泡平均粒径,从而提高气-液分布及传质效果。

基于群体平衡模型的冰浆流动与传热特性数值研究

冰浆作为一种固-液两相流体,由于其储能密度高、流动性及传热性能好而被广泛应用于蓄冷和冷量输送系统.结合Euler-Euler模型和群体平衡模型,考虑固-液相间作用以及固相颗粒的聚并、破碎和融化作用,在颗粒直径变化的基础上对冰浆在水平圆管内的流动与传热特性进行数值研究.研究结果表明:冰浆固相颗粒直径的变化与固相体积分数的变化呈正相关,较大的流速有利于颗粒直径的增大.在入口流速为1.0 m/s与固相体积分数为10%的流动工况下,固相颗粒的直径最大值可从初始状态的125μm增长到139μm.相同流动条件下,当壁面热流密度为50 kW/m^2时,固相颗粒的直径可从初始状态的270μm直至完全融化,热流密度的增大会加快颗粒直径的减小,颗粒直径分布表现出与等温流动工况不同的特性.

基于群体平衡模型的竖直管内水合物浆液流动特性模拟研究

水合物的开发与利用已经成为热点能源问题之一。固态流开采是我国为开发非成岩水合物矿藏提出的一种绿色水合物开采方法。固态流开采是将深水浅层的水合物进行破碎流化,经过预处理后,通过管道举升至海面。引入基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡方程,对开采过程中竖直管道内水合物流动特性进行了正交试验研究。结果表明,对竖直管内水合物浆液流动摩阻影响最大的因素为水合物浆液的平均流速,而对竖直管内最大粒径影响最大的因素为浆液中水合物的体积分数。研究结果可为深水水合物浆液流动安全保障和水合物固态流开采技术的发展提供技术支持。

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型:一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。

群体平衡模型在气液搅拌数值模拟的研究进展

气液搅拌反应釜在过程工业中应用广泛,在气液的分散和混合过程中,准确模拟预测离散相系统中气泡大小与分布在流体力学和传质中起着关键性作用。群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)是描述两相以及多相流体系中分散相的尺寸大小及分布程度随时间和空间变化的通用方程模型,可以较准确的预测釜内流场和气泡的大小与分布。对群体平衡模型在气液搅拌数值模拟中的应用进行了综述,讨论了PBM的数学模型和主要的数值求解方法,然后着重介绍了近年来采用PBM对气液搅拌数值模拟的情况,进行了总结和展望。

基于群体平衡的胶凝原油水力悬浮体系流动特性模拟

胶凝原油水力悬浮体系流动特性研究是高含水油田实现不加热集输的关键。近年来随着计算流体力学的发展,数值模拟成为复杂流体流动特性研究的有效工具。根据群体平衡模型,引入关键的凝油颗粒碰撞聚并与剪切破碎函数,描述颗粒群间的相互作用,在三维管道模型下求解,通过文献试验数据对模拟结果进行验证。结果表明:随着流速或含水率的增加,凝油颗粒平均粒径减小,粒径呈圆环状分布,油相分布更加均匀,不易产生凝油壁面沉积;在高含水阶段,流速增大对流动压降增大的影响占主导地位,含水率的影响不明显,颗粒粒径减小或凝油沉积也会导致流动压降增大。

2种群体平衡模型在连铸结晶器多尺寸泡状流中的应用

准确预测连铸结晶器内多尺寸泡状流的流动特性对洁净钢水和提高铸坯质量至关重要。为了考虑气泡聚并、破碎等微观现象对气泡尺寸、数密度、含气率等宏观参量的影响,分别采用2种基于群体平衡方程的数学模型—多气泡组质量传递模型(MUSIG)与平均气泡数密度模型(ABND),对连铸结晶器内的多尺寸泡状流进行了数值模拟,并与水模型实验结果进行了对比研究。结果发现:2种群体平衡模型均可以较准确地捕捉到结晶器多尺寸泡状流中的液相流型、气泡尺寸以及含气率分布特征,尤其是较好地预测了浸入式水口内部含气率的“中间峰”和“出口峰”分布特征;相比于MUSIG模型,ABND模型对靠近水口处气泡尺寸分布的预测结果更加准确。2种群体平衡模型扩展了传统单一粒径双流体模型的适用范围,为结晶器内多尺寸泡状流研究提供了理论基础和数学框架。

基于群体平衡的汽轮机动叶表面盐析颗粒分布特性

为深入了解汽轮机动叶内盐析颗粒的微观行为,本文以某超临界汽轮机高压级动叶为研究对象,应用计算流体力学与群体平衡模型耦合方法,对汽轮机动叶内盐析颗粒在流场中的分布进行数值模拟研究,获得了盐析颗粒在动叶内的粒径分布及不同负荷时叶片尾缘处盐析颗粒数量密度分布规律。模拟结果表明:在汽轮机动叶吸力面附近的盐析颗粒粒径较压力面附近盐析颗粒粒径小,且叶根处颗粒粒径小于叶顶处;动叶压力面的颗粒数量密度呈前缘点尾缘点处大、中间段小的分布规律,并且盐析颗粒在叶片上的数量密度分布最大值并不出现在组分数及粒径最大处,而是出现在平均粒径为110~150μm的盐析颗粒沉积位置处;当汽轮机30%负荷运行时,粒径40μm盐析颗粒的数量密度是其在汽轮机额定负荷运行时的1.5倍,而粒径140μm盐析颗粒的数量密度仅为汽轮机额定负荷运行时的80%。

基于群体平衡的球磨机粉磨过程动态仿真

为了进一步弄清球磨机粉磨过程的工艺特性,为过程参数设计、控制和优化工作提供依据,降低控制和优化系统实施的风险,节约设计、开发和调试的成本,根据群体平衡模型和特劳姆曲线建立了球磨机粉磨过程和空气选粉过程的数学模型,对球磨机内部的料流以及物料粒度分布情况进行模拟。基于M atlab/S imu link仿真平台进行二次开发,采用S-Func-tion形式对过程中的设备模型进行了封装,建立了球磨机粉磨过程的设备模型库,进而通过面向对象方法建立了球磨机粉磨过程动态仿真环境。给出的仿真实例说明了料流和粒度以及选粉机转速等工艺参数对粉磨过程生产的影响,论文对于水泥企业粉磨生产过程的控制、优化分析与设计是有意义的。

基于PBM模型的狭缝模头内颗粒行为分析

为探究用于氢燃料电池生产的狭缝模头内部流场中固液两相流动与催化剂颗粒聚并、破碎的情况,使用修正过的PBM(群体平衡模型)针对颗粒行为进行数值模拟,研究流场内及出口的颗粒分布情况及不同条件对出口粒径的影响。结果表明:离散相与连续相的体积分数与速度均匀。聚并形成的大颗粒主要分布在近壁处,而中央区以较小的颗粒为主;通过增大进口速度、减小固含量可以削弱聚并现象,出口处的粒径明显降低。模拟结果可以为氢燃料电池催化剂膜的生产工艺优化提供理论参考。

影响高浓度氧化石墨烯分散液流变行为的重要因素及群体平衡动力学分析

氧化石墨烯(GO)片的基面和边缘上存在大量的含氧官能团,能很好地分散在水中,因而具有很好的加工性和广阔的应用前景。在较高浓度范围下,GO水分散液中存在着强烈的竞争性相互作用,从而对流变行为产生较大影响。在本文中,通过稳态、动态等流变实验以及理论分析,研究了pH值、温度和不同的有机溶剂对GO分散液流变行为的影响。结果表明,降低p H值、适当增加温度以及加入吡啶均可促进GO水分散液从粘弹性液体到凝胶态的转变。利用DLVO(Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek)理论,探讨了GO片之间的范德华作用力以及双电层排斥作用的相互关系,及其对流变性能的影响。通过群体平衡模型(PBE)分析了GO分散液的屈服应力与体积分数的正相关关系。同时,通过蠕变和松弛实验发现,高浓度的GO分散液中结构变化及流变行为在很多方面与高聚物相似,利用Poyting-Thomson模型能较好地拟合其粘弹性行为。上述研究结果为深入研究复杂的GO分散体系提供理论支撑和实验依据。

基于PBM的离心式叶轮内气泡破碎合并数值模拟

针对利用离心泵制备微气泡时叶轮内气泡尺寸较大且分布不均问题探究不同入口含气率(IGVF)和转速对离心泵叶轮内气泡直径和分布的影响,采用欧拉-欧拉非均匀双流体模型与群体平衡模型进行耦合,求解离心泵叶轮内气液两相旋转流场,并且结合涡识别方法、Luo破碎合并模型对离心泵叶轮内气泡分布规律进行分析。结果表明:①叶片前缘以及吸力面附近存在的涡旋导致气体聚集,引起流道内局部含气率增大,此处气泡合并效应占主导;②流量和转速一定时,随IGVF的增加,流道内湍流强度增加,旋涡后移导致气相聚集区域同样向后延伸,吸力面的高局部含气率区域增大面积显著高于压力面,因此吸力面气泡合并行为更为显著,气泡直径更大;③IGVF和流量一定时,小范围内提升转速可以使气泡破碎效应增强,获得更小直径的气泡。

超细颗粒聚团模型及湍流聚并器聚团研究

研究颗粒不同聚团机理模型对湍流聚并器颗粒聚团过程的影响。基于FLUENT软件UDF功能自定义聚团核,考虑颗粒间排斥势能Umax对聚并率的影响,引入捕集效率f(α)对聚团核进行修正,得到修正湍流聚并模型并将该模型与传统湍流聚并模型进行比较。通过群体平衡模型耦合CFD对颗粒聚团过程进行数值模拟。结果表明:通过对理想湍流聚并模型和修正湍流聚并模型与实验结果的对比,理想湍流聚并模型的误差在8%左右,而修正湍流聚并模型误差仅有3%,修正湍流聚并模型与实验结果吻合。布朗聚并对粒径小于2μm颗粒有明显减少作用,布朗聚并在湍流聚并中不可以忽略,修正湍流聚并耦合布朗聚并模型基本与实验结果吻合。