基于幂律液固曳力模型流化床内湿颗粒流动特性的研究

采用欧拉-欧拉双流体模型(TFM)结合颗粒动理学理论(KTGF)方法,对三维幂律流化床中的液固两相流动行为进行了模拟。基于幂律流体的流变方程以及压降方程,提出了两种幂律液固曳力模型,引入了考虑液膜效应的湿颗粒动态恢复系数模型,计算幂律流体与湿颗粒之间的作用力。将预测固含率分别与文献中测得的实验数据进行比较,结果表明结合动态恢复系数模型的相对误差介于0.45%~1.59%,与实验结果吻合较好。探究了稠度系数K以及流性指数n对颗粒流动特性的影响,结果表明随着流变参数的增大,床层内的颗粒平均浓度降低,湿颗粒表面液膜逐渐变厚,法向恢复系数降低;颗粒拟温度随n的升高先增大后减小,随K的上升而增大;曳力系数、颗粒压力以及颗粒黏度均随流变参数的增大而逐渐减小。颗粒在壁面处的浓度明显高于中心处附近的浓度,且颗粒在中心处向上运动,在壁面处附近回落,在流化床中形成环-核结构。

曳力模型对喷动床气固两相流数值模拟结果影响的介尺度分析

为探究不同曳力模型在喷动床稠密气固两相流数值研究中的适用性及准确性,基于开发的介尺度格子玻尔兹曼-离散单元法(LBM-DEM)耦合流动程序,分别采用Syamlal-O’Brien、Gidaspow、EMMS三种曳力模型对微型喷动床进行了数值模拟。比较分析了不同曳力模型下的结果差异,并通过实验验证了各模型预测结果的准确性。研究表明:三种曳力模型都能完整展现喷动床内气泡演化及颗粒流化的全过程,其中EMMS模型的整体预测结果与实验值最相吻合,能较好展现床内非均匀流化过程的细节,模型整体适用性最好;Gidaspow模型在均质流态的气泡演化过程中更具优势;Syamlal-O’Brien模型所计算的曳力值始终偏高,需注意规避可能引起的边壁效应影响。以上研究结果及方法可为广泛领域稠密流体-颗粒两相系统研究提供参考。

低雷诺数下幂律流体中密相颗粒曳力模型研究

非牛顿流体颗粒两相流广泛存在于自然界和工业生产中,非牛顿流体中密相颗粒的曳力模型是两相流数值模拟的关键。基于幂律流体模型,采用直接数值模拟方法研究了低雷诺数下密相颗粒曳力与幂律指数和空隙率的关系,发现曳力随着幂律指数增加而增大,随着空隙率的增加而减小。基于模拟结果,提出了低雷诺数下幂律流体中密相颗粒曳力的预测模型,曳力模型可用于幂律流体中密相颗粒运动的数值模拟。

一种尺度无关的滤波曳力模型的固气密度比影响分析

气固两相流系统的物性参数一般会影响滤波曳力模型进而影响其应用,但固气密度比对滤波曳力的影响规律尚不明确。本文采用一种尺度无关滤波曳力建模方法对一定固气密度比范围(200~2015)的细网格模拟数据进行分析发现,采用气相压力梯度、当地固含率和周边固含率(三倍于滤波尺度的滤波固含率)分类后的滤波曳力具有尺度无关和对密度比变化不敏感的特性。因此本文基于不同固气密度比细网格数据构建了系列滤波曳力模型,先验和后验分析显示,相比于文献报道的物性修正曳力模型,本文所构建的介尺度曳力模型的预测结果更加接近细网格结果和实验结果,且具有尺度无关和对密度比变化敏感度低的特点。

不同曳力模型对鼓泡床内气固两相流的模拟研究

基于双流体模型,应用Fluent商业软件包对带有单喷嘴的二维鼓泡床中气固两相流进行模拟研究。采用三种基于不同机理的曳力模型;半经验的Gidaspow模型、由格子波尔兹曼方法导出的Koch-Hill模型与修正的半经验的McKeen模型,通过模拟气泡的形成、上升及破裂过程,气泡形状和颗粒运动特征,计算气体泄漏率、气泡直径及气泡上升速度,对不同曳力模型进行比较研究,其中编程实现了Koch-Hill和McKeen曳力模型模块。通过与文献中的实验结果进行对比发现,Gidaspow模型对气泡形状的模拟效果较好,与实验数据的误差介于其他两种模型之间;Koch-Hill模型捕捉到的气泡特征最逼真,且床层膨胀效果明显,但定量计算的误差最大;而McKeen模型与实验数据的误差最小,但对气泡形状的模拟效果较差。

高密度CFB提升管内气固两相曳力修正模型及冷态实验验证

通过实验和模拟方法考察了高气速,高固体通量循环流化床提升管内B类颗粒的流动情况.根据EMMS(energy minimization multi-scale)理论提出了改进的曳力修正表达式,同时与传统的曳力模型如Gidaspow,O'Brien-Syamlal,Koch-Hill-Ladd的计算结果进行了比较。结果表明:使用本文提出的修正曳力模型的计算模拟结果与实验值得到了较好的吻合。

基于不同曳力模型的鼓泡流化床CFD-DEM数值模拟与试验研究

为了准确选择稠密气固两相流中的曳力模型以提高数值模拟结果的准确性,基于CFD-DEM双向耦合方法,采用现阶段气固流化床数值模拟中常用的Ergun,Wen&Yu,Syamal-O′Brien,Gidaspow,Di Felice以及Huilin&Gidaspow共6种曳力模型开展数值模拟,将其与高速摄影试验测得的床层高度、空泡形态、直径以及压力波动等运动特征进行对比.对于中等表观气速v=350 L/min的气固两相流动系统中,这6种曳力模型在描述空泡形态与床层高度的变化方面差异较大;Di Felice模型没能够预测出鼓泡破碎后出现的二级小气泡,而Ergun模型则较高估计了床层高度的变化,综合对比发现:Gidaspow模型虽然略微低估了二级小空泡直径的变化,但是在空泡形态和压力波动与试验吻合较好.在基于DEM的流化床数值模拟中,Gidaspow模型能够对稠密气固两相流动进行较为准确的预测.

双流体模型中曳力及恢复系数对气固流动的影响

应用双流体模型CFD模拟的方法,从恢复系数和曳力两方面,研究了气固密相流化床中颗粒之间和气固相之间的相互作用对床内非均匀流动结构形成与变化的影响。计算结果表明颗粒间非弹性碰撞和气固间曳力的增大均使气固两相流动的非均匀性增大。通过比较二者对非均匀流动结构的影响,发现气固间曳力是形成非均匀流动结构的决定因素。从碰撞耗散、颗粒动能和颗粒势能的角度分析了二者的作用机理,发现恢复系数和曳力对流动结构的作用主要区别在于对颗粒团聚和床层膨胀的影响程度不同。

EMMS曳力模型及其颗粒团模型的构建和检验

准确描述颗粒团聚特性是发展完善基于多尺度最小能量原理(EMMS)的曳力模型的重要方向之一。提出描述颗粒团聚特性的数学模型,不仅符合物理判断,而且与实验结果吻合。采用颗粒团模型,改进EMMS曳力模型,与实验及直接数值模拟结果吻合较好。改进的曳力模型与欧拉-欧拉双流体方法耦合,实现了不同工况下A、B类颗粒流化床流动特性的数值模拟。成功预测了颗粒非均匀分布特性、局部滑移速度、局部非均匀度以及噎塞状态。

不同曳力模型及颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内气固流场的影响

为考察曳力模型和颗粒碰撞恢复系数对短接触旋流反应器内流动特性的影响,基于双流体模型,结合颗粒动力学理论,对反应器内气固两相流场进行模拟研究。分别采用Gidaspow、Wen&Yu和Syamlal-O’Brien 3种曳力模型,考察颗粒速度特性以及固含率径向分布。对比分析不同曳力模型的计算结果表明,Syamlal-O’Brien模型计算结果与实验结果误差较大,Wen&Yu模型在反应器边壁附近区域的计算结果误差较大,Gidaspow模型计算结果与实验结果最为吻合。此外,颗粒碰撞恢复系数较小时,所得计算值小于实验测量值,当恢复系数为0.95时颗粒扩散效果最好,计算结果与实验数据吻合度最高。

基于EMMS曳力模型的提升管进料混合段模拟

提升管进料混合段是催化裂化提升管反应器最关键的区域。为找到一种合理的方法以改善提升管进料段内油剂两相流动及混合状况,采用了EMMS曳力模型,对提升管进料混合段气固两相流混合及流动进行三维计算流体力学(CFD)模拟,并与实验数据进行了对比;分析了气固两相流动及混合特性,还模拟分析了不同进料角度对提升管进料混合段内二次流的影响以及两相流动、混合状况。结果表明,EMMS/Matrix曳力模型能够较为准确地模拟进料混合段内气固两相流动、混合过程;当喷嘴斜向上喷射进料时,射流影响区颗粒流混合不均匀,颗粒流恢复稳定流型所需时间长,且边壁受二次流影响,出现"高浓度、高返混"区域,工业过程中易引起结焦。由此提出了一种新型提升管进料段结构的改进方案,能合理利用二次流,实现颗粒流均匀混合和流动。

循环流化床气固曳力模型

气固曳力是稠密气固两相流动,尤其是垂直流动中的主要作用力,相应的模型也是数值模拟中准确描述气固两相运动的关键.为了解决现有经验或半经验模型的普适性问题,合理描述流动中经常发生的颗粒团聚现象及其对气固曳力的影响,从理论分析入手,运用最小能量的概念,将传统的CFD方法与宏观的系统分析方法相结合,建立了一个新的计及颗粒团聚效应的气固曳力理论模型.与现有模型相比,新模型不仅具有相同的函数变化关系,可合理地描述气固两相相互作用的物理过程,而且避免了以往经验系数不准确导致的各种误差,为稠密气固两相流动的数值描述提供了重要依据.

不同曳力模型对提升管内气固流动特性的影响

在考虑稠密气固两相流中颗粒具有非均匀流动特性的情况下,提出了基于颗粒团聚效应的气固相间曳力模型,数值模拟循环流化床提升管内气固两相的流动特性。模拟计算时考虑气固相间的作用力,壁面处气相采用无滑移边界条件,固相采用考虑颗粒与壁面的碰撞和颗粒与壁面的简单摩擦作用的壁面边界条件。结果表明,考虑颗粒团聚效应的曳力模型能很好地反映提升管内气固两相流动特性,模拟结果比应用Gidaspow曳力模型的计算结果更接近文献[16]的试验结果。

曳力模型对水平管高压密相气力输送模拟的影响

在欧拉欧拉方法的基础上,引入Dartevelle摩擦应力模型、修正的颗粒动理学理论,采用考虑摩擦应力项的Johnson&Jackson固相壁面边界模型以及Realizable k-ε-kp-εp气固湍流模型对水平管高压密相气力输送进行了数值模拟,并考察了Huilin-Gidaspow曳力模型、Mckeen曳力模型以及构建的三段式曳力模型对数值模拟结果的影响.结果表明:与其他2个曳力模型相比,采用三段式曳力模型所得的模拟结果不仅精准地预测了水平管压降及水平管压降随补充风量的变化规律,其相对误差在-3.7%^+5.2%以内,而且更加合理地反映了水平管高压密相气力输送各流动形态的输送特性.采用三段式曳力模型预测的水平管固相体积浓度分布与ECT图相吻合,从而证实了三段式曳力模型更适用于模拟水平管高压密相气力输送.

曳力模型对模拟鼓泡塔气含率的影响

A transient two-phase and three-dimensional computational fluid dynamics(CFD)simulation within the Eulerian framework has been carried out to investigate the influence of drag models on the radial gas hold-up profile of a bubble column.The effect of the sparger modeling is investigated as well.It can be concluded that:(1)the approximate modeling method for the sparger in this work is capable of reasonably predicting the radial gas holdup profile;(2)the CFD simulation with the Tomiyama’s drag model differs little from the Ishii-Zuber drag model at the low superficial velocity,while at the high gas velocity,the former leads to an over-prediction of the gas hold-up profile;(3)the correction factor of drag coefficient has a larger influence on the radial gas holdup profiles for high superficial gas velocity than low velocity.

大型流态化多相流数值模拟的关键科学问题——曳力模型的理论分析

描述相间相互作用的曳力模型是决定流态化模拟成败的关键科学问题,核心是如何表征稠密非均匀流动中曳力的一般规律.首先综述了现有曳力模型的发展现状和优缺点,然后讨论了流态化系统能量分析方法(energy minimization multiscale method,EMMS),以及在此基础上建立的曳力模型及其发展历程,重点分析了EMMS理论在代表非均匀流动特征的颗粒团尺寸、内部固含率等关键参数上的缺陷、文中的修正方法和实验检验结果.最后,讨论了曳力模型的发展方向即普适性问题.

中温循环流化床烟气脱硫基础——曳力模型与流动的数值研究

为了准确模拟中温烟气脱硫的循环流化床(CFB)反应器内的脱硫过程,本文首先采用欧拉双流体方法研究了床内的稠密气固两相流动,讨论了表征气固两相相互作用的关键参数—曳力模型,并对适于均匀流动的经典曳力模型进行了颗粒团聚所致的非均匀效应的修正。计算的床内存料量和总压降与实测值之间的误差均小于5%。本研究为中温脱硫过程的优化和降低能耗奠定了流体力学基础。

喷动床DEM模拟曳力模型评价

针对喷动床DEM模拟中的曳力模型选择问题,利用CFD-DEM方法,对几种曳力模型在矩形喷动床模拟中的应用进行了讨论,研究采用标准k-ε模型和Beer&Johnson表达式考虑湍流和滚动摩擦的影响.结果表明:Arastoopour、Sy-amlal&O'Brien和Tsuji模型均可较好地预测流动结构和空隙率、颗粒速度分布,Tsuji模型模拟结果与实验值最为接近;在环隙区,滚动摩阻力矩大于切向接触力矩,滚动摩阻力矩的加入使颗粒轴向速度最大值的预测更加精确;滚动摩阻力矩与颗粒速度梯度两者之间的相互作用,速度梯度起主导作用.

基于拟颗粒的气固两相曳力模型研究

为了研究气固两相流动大涡模拟中合适的曳力计算模型,本文引入拟颗粒和拟颗粒表面能的概念,通过拟颗粒表面能与外界输入能量之间的平衡关系来确定拟颗粒的粒径。根据拟颗粒粒径,得到运算量较小且考虑颗粒团聚效应的曳力计算模型。应用本文的曳力计算模型对二维竖直槽道内稠密气固两相流动进行了大涡模拟,结果表明颗粒的浓度分布具有上稀下浓,壁面附近浓中心稀及颗粒聚集等特点。这与实验结果在定性上是一致的。对气相和颗粒相的瞬时速度场进行了分析,发现气相和颗粒相速度场分布的非对称性是形成颗粒浓度分布壁面附近浓中心稀的重要原因之一。

气泡修正多尺度曳力模型的鼓泡流化床生物质气化分析

以双流体模型为框架,气泡修正多尺度曳力模型描述介观尺度作用影响,结合化学反应动力学方法建立生物质气化模型,模拟了鼓泡流化床内生物质气化过程。采用气泡修正多尺度曳力模型考虑了介观尺度影响,使气固异相反应增强,模拟结果更接近实验值。模拟结果给出了颗粒浓度、速度矢量瞬时分布、气体组分摩尔分数瞬时分布及碳和灰分的质量分数瞬时分布特性。分析了氧当量比对鼓泡流化床生物质气化过程的影响。总体上,气体产量随着氧当量比的增加而减小。经分析得出,H_2和CH_4的产量与氧当量比有着较高的相关性,拟合优度都在0.99以上;对于CO和CO_2,则用三次多项式拟合时能有较好拟合优度。并且,CO随着氧当量比的增加先下降较快,然后平缓,最后再次较快下降。而CO_2的下降趋势则与CO正好相反,先平缓,后下降快,最后再次平缓。