基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于气泡群相间作用力模型的加压鼓泡塔流体力学模拟

目前,多数文献报道了冷态加压湍动鼓泡塔内流动特征,并且通过实验数据回归相关经验关联式。然而,此类关联式适用范围有限,难以直接外推到工业鼓泡塔反应器条件。因此,在FLUENT平台上建立了基于气泡群相间作用力的、动态二维加压鼓泡塔计算流体力学模型。通过数值模拟考察了操作压力为0.5~2.0 MPa,表观气速为0.20~0.31 m·s^(-1),内径0.3 m鼓泡塔内流场特性参数分布,并且与冷态实验数据进行比较。结果表明,采用修正后的气泡群曳力模型、径向力平衡模型以及壁面润滑力模型描述气泡群相间作用力,能够较为准确地反映平均气含率和气含率径向分布随操作压力和表观气速变化的规律。

气固流化床化学反应数值模拟中颗粒尺度模型研究进展

气固流化床由于其优良的气固接触效率和传热传质效率,已经被广泛应用于能源、矿冶、化工、制药等工业领域。本文针对颗粒流态化-反应系统数值模拟研究进行了综述,阐述了数值模拟的三个尺度:化学反应工程模型、双流体模型以及颗粒尺度模型。然后聚焦于基于CFD-DEM方法的变粒径颗粒流态化-化学反应过程模拟,梳理分析了6种颗粒反应模型,即均匀转化模型、缩粒反应模型、缩核反应模型、联合收缩模型、细颗粒反应模型和随机孔隙模型,并从颗粒性质变化、化学反应模型、不同尺度耦合三个角度探讨了不同的颗粒反应模型的优点和应用中的局限性,分析了跨尺度颗粒系统模拟方法的发展近况,最后讨论了CFD-DEM方法在气固流化床化学反应过程模拟的应用上未来可能的发展方向,包括颗粒尺度大规模高效计算算法、颗粒反应模型的精确化以及颗粒-气体信息传递的精细化描述方面。有助于气固流化床化学反应模拟领域的梳理和发展,尤其是可供颗粒尺度模拟领域的研究人员参考和借鉴。

PM2.5细颗粒物凝并的计算流体力学模拟

随着我国城市化和工业化进程日益加快,PM2.5细颗粒物污染己成为突出的环境问题,采用凝并技术使小颗粒凝并为大颗粒成为提高除尘效率、降低PM2.5细颗粒物排放的主要途径。本文采用计算流体力学(CFD)群体平衡模型及自由分子凝并核模拟了细颗粒物的凝并过程,分析了凝并器出口粒径分布的动态演化规律,考察了停留时间及凝并器入口固含率对凝并效果的影响。模拟结果表明,凝并器出口处的平均粒径经历了一个从零开始逐渐增大后趋于稳定的演化过程:在入口固含率为10的条件下,颗粒粒径越小,凝并效果越显著,当入口颗粒粒径增大至2.0μm时,颗粒的凝并几乎可以忽略;凝并器出口平均粒径近似与入口固含率的1/3次方及细颗粒物在凝并器中的平均停留时间成正比。

基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟

能量最小多尺度(energy-minimization multi-scale,EMMS)方法已经被应用于气液体系中群平衡(population balance model,PBM)模型的改进。EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子。应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据。结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性。在表观气速为0.16 m·s^(-1)和0.25 m·s^(-1)时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%。

虾饲料颗粒对自动饲喂系统提升管管壁的磨损研究

实验针对虾饲料颗粒对气力输送自动饲喂系统管道的磨损开展研究。基于气固两相流理论,建立计算流体模型与离散元模型,通过计算流体力学与离散单元法耦合求解,探究气力输送自动饲喂系统提升管角度与入口风速对弯管内法向与切向磨损的影响。结果表明:提升管角度对法向和切向累积接触能影响不大,较大提升管角度可显著减小管道切向磨损面积;入口风速对法向和切向累积接触能影响较大,且较小入口风速可显著降低管道法向磨损面积。研究结果可为虾饲料自动饲喂系统的设计优化提供理论指导。

立式双桨搅拌槽内液-液分散特性的CFD-PBM模拟

将破碎核函数应用于群体平衡模型(PBM)中,并与计算流体力学(CFD)方法进行耦合,开展了不同类型搅拌桨组合下搅拌槽内液滴尺寸分布和液-液分散特性的模拟研究。结果表明:推进桨(TXL)可促进流体的轴向混合,涡轮桨(RT)有利于流体分散,不同搅拌桨组合下的流场特征存在显著的差异;相同转速下抽吸桨(PM)+TXL组合桨拥有较小的功率消耗,而RT+RT组合桨的功率消耗较大;挡板的存在能够有效促进液滴破碎,且挡板对PM+RT组合桨搅拌下分散性能的影响显著大于另外两种搅拌桨组合。基于本研究结果,在双层桨搅拌槽的工业应用中,应首先考虑挡板的应用,在对液滴分散性能要求较小时,应优选带轴流型的PM+TXL组合桨;在对液滴分散性能有较高的要求时,应优选带档板的PM+RT组合桨。

多纤维捕集过程中细颗粒湍流团聚模拟研究

基于随机多层纤维过滤介质算法建立了平板式三维拟态化结构.利用计算流体力学-颗粒群平衡模型(CFD-PBM)对多纤维捕集过程中细颗粒湍流团聚进行数值模拟研究,并采用分区法求解颗粒群平衡方程(PBE).通过控制变量法分析表明:多纤维捕集过程中存在着明显的颗粒团聚行为.粉尘颗粒的团聚程度随停留时间增加而增强,当t≥l/v(速度方向模型尺寸长度/入口风速),团聚逐渐趋于稳定;当v_(max)·t≤l,入口风速越大,颗粒团聚程度和团聚速率越大,最终的团聚程度取决于入口风速和停留时间;颗粒粒径越大,粉尘颗粒的团聚程度和团聚速率越小.出口颗粒平均粒径与初始粒径相比增长倍数越小.粉尘颗粒体积分数越大,颗粒团聚程度以及团聚速率越大.当v=0.1m/s,d_(p)=1.0μm,VF>0.003636,Bin-7~Bin-0区间数量浓度对数分布呈线性比例关系.

鼓泡塔中离子液体-空气两相流的CFD-PBM耦合模拟

针对咪唑类离子液体介质,采用Eule-rEuler双流体模型与群平衡模型(PBM)耦合的方法,引入由实验结果拟合获得的适用于该介质的气液相间曳力系数模型,对内径0.203 m、高2 m的鼓泡塔中离子液体-空气两相流进行计算流体力学模拟,研究了不同表观气速下塔内气液两相速度场分布、气含率和气泡尺寸分布等流体动力学性质。与现有的相间曳力系数模型Schille-rNaumann模型模拟结果对比,采用本文模型得到的气含率与实验值吻合更好,气泡尺寸分布与实验结果一致。

多层桨气-液搅拌反应器内局部特性的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,应用Euler双流体模型、标准的k-ε双方程湍流模型及多重参考系法,并与综合考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸影响的群体平衡模型(PBM)相结合,对多层桨搅拌槽内气-液两相的流场、局部气含率分布、气泡尺寸分布以及局部容积传质系数分布进行了数值模拟。结果表明:在搅拌槽内顶桨与底桨上方靠近壁面处存在气含率和气泡尺寸分布的极大值,与实验结果相吻合;容积传质系数的模拟结果与实验值的相对误差为15%。

单沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟

基于FLUENT软件信息传递模式的多点接口(MPI)并行计算平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数(UDFs)文件发展计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合并行算法.该算法具有随计算节点数增加的良好扩展性能和加速性能.采用该算法数值模拟了单沉浸管流化床内的颗粒混合过程,揭示了气固两相的运动特性和颗粒混合机制,考察了沉浸管的磨损特性.结果表明:沉浸管引起床内气泡的聚并和破碎,气泡主要绕沉浸管而非沿两侧壁向上移动,随着表观气速的增加,气相流场沿径向的分布更加均匀;颗粒宏观流动结构与分布呈现出明显的径向非均匀特性;沉浸管的存在和表观气速的增加均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少;颗粒撞击管壁的频次和冲刷速度是造成沉浸管磨损的主要原因.

离心萃取器混合区内三相流的CFD-PBM模拟

为获得环隙式离心萃取器运行时混合区内真实气-液-液三相流流动特性,采用欧拉-欧拉多相流模型和群体平衡模型(PBM),并分别采用模拟软件ANSYS自带的MUSIG和直接正交矩量法(DQMOM)求解群体平衡模型,对Ф70 mm环隙式离心萃取器混合区内气-液-液三相流进行了CFD-PBM模拟研究,以获得气-液-液三相流的相分布和液滴平均直径(d_(32))分布。结果表明,混合区内有机相在两相混合液中分布比较均匀,但在局部地区形成了富有机相区和富水相区;流体的湍流动能和湍动耗散率在自由液面处和转筒外壁处较大,而在混合区旋涡中心处则较小;当两进口水相平均流速均为0.02 m/s,进口有机相体积分数为0.01,转速为1 800~3 600 r/min时,通过MUSIG模拟获得的混合区中气-液-液三相流中有机相的d_(32)为110~150 μm,而通过DQMOM模拟获得的混合区中气-液-液三相流中有机相的d_(32)为50~130 μm,并与试验测得的结果基本一致,且d_(32)随着转速的增大和进口有机相体积分数的减小而减小。

颗粒特性对撞击分离器性能影响的实验与数值研究

颗粒-壁面撞击行为和气固相间作用对撞击分离器的性能具有重要影响。基于玻璃珠及煤粉的单颗粒撞击实验数据建立平均撞击恢复系数模型,采用非球形颗粒曳力模型对平板式撞击分离器的分离性能和气固流动开展数值研究。结果表明,采用基于实验的平均恢复系数模型以及考虑颗粒形状的曳力模型,能够准确地预测撞击式分离器的总分离效率和分级分离效率。颗粒分离过程中,Stokes数较大的颗粒对颗粒-壁面撞击模型比较敏感,Stokes数较小的颗粒对气固曳力模型比较敏感。

工业气固流化床内流场的CFD-PBM数值模拟和结构优化

流化床内的多级几何结构影响其内流体的动力学、热力学以及化学反应等参数,对于流化床内流场的数值模拟研究有助于理解其内复杂的流动特性,建立流化床的几何结构和操作条件优化的理论基础,从而提高流化床的传质效率和性能。以计算流体力学理论为基础建立了气固流化床内流场的数值模拟方法,研究了风帽的几何结构、筒径和帽檐长度对工业气固流化床内流场的影响规律。在此基础上,结合群体平衡方程矩方法,构建了计算流体力学-群体平衡模型(computational fluid dynamics-population balance model,CFD-PBM),利用该模型建立了工业气固流化床中纳米颗粒流化状态和团聚行为的数值模拟方法,进一步验证了筒径对流化床内纳米颗粒流化状态的影响规律。研究表明,筒径为260mm时,风帽四周气速分布均匀且风帽下端气流死区面积最小;帽檐长度为风帽出风口尺寸的1/2时,流化床内气速分布更均匀。

加压气液鼓泡塔的CFD数值模拟与ERT实验验证

在内径0.3 m,高6.6 m的加压鼓泡塔内,采用计算流体力学(CFD)数值模拟与气泡群平衡模型(PBM)耦合法进行塔内流体力学模拟,并将数值模拟结果与基于电阻层析成像技术(ERT)的实验结果对比分析,将通过ERT实时采集的横截面气含率分布和时间序列图与模拟结果进行比较。结果表明:ERT技术测量结果与CFD计算结果吻合良好,能很好地表示鼓泡塔内气液流动状态,进一步表明ERT技术对加压鼓泡塔内气液两相流进行可视化与实时测量是可行的。

喷射型环流反应器中气含率和液速的分布

喷射型环流反应器拥有良好的固体悬浮、液相混合与气液传质性能。在表观气速0.065-0.105 m?s-1的半间歇操作条件下,实验测量了喷射型环流反应器内的气含率以及液速的空间分布。在实验的基础上对反应器进行了三维瞬态的CFD模拟,并且用耦合群平衡模型(PBM)来模拟系统内气泡的聚并破碎行为。喷嘴的高速射流产生一定比例的大气泡驱动液体循环,使循环液速成倍增加。大气泡浮升过程中逐渐破碎成小气泡,导致提升管内的气含率随着轴向塔高增高而增大,降液管中也有类似的分布。实验和模拟都表明,喷射型环流反应器内由于喷嘴的使用导致了分布器影响区的明显延长,不存在流动充分发展的区域。

萃取柱内液-液两相流CFD-PBM模拟研究进展

对萃取柱内CFD-PBM模拟研究进行了较详细的综述,包括其基本理论、不同的求解方法及模拟研究现状等.CFD-PBM模拟的基本方程包括流动方程和群体平衡方程,其相互耦合,群体平衡方程涉及破碎与聚并2个关键模型.群体平衡模型的求解方法包括直接离散化方法、矩量法、正交矩量法、直接正交矩量法、分段正交矩量法等,对这些方法的原理、优点和缺点进行了综述.目前国际上关于萃取柱内CFD模拟采用较多的是简单的欧拉-欧拉两相流模拟,考虑液滴尺寸分布和进一步的浓度分布的群体平衡模型应用较少.完善伴随传质的液-液分散体系的群体平衡模型,并将其应用于不同类型的萃取柱中,是萃取分离学科的重要任务.

气液鼓泡塔的CFD-PBM耦合模拟:离散法与QMOM方法的对比

采用CFD-PBM耦合方法,对高表观气速下的气-液鼓泡塔进行模拟,得到气含率、轴向液速及气泡尺寸。系统性对比求解群平衡方程(PBE)的不同方法:离散法(20 bins)和QMOM(包括四阶QMOM和六阶QMOM)。模拟结果与文献中的实验数据的对比结果表明,离散法和QMOM均能合理预测气含率、轴向液速、平均气泡大小和气泡尺寸分布。但QMOM比离散法节约2~3倍的计算成本。对于QMOM,使用四个矩能准确描述气相的演化。使用四阶QMOM和六阶QMOM得到的结果非常相似。利用QMOM的低阶矩可以快速有效地重构出单峰气泡尺寸分布。