催化剂孔道结构设计及孔内反应-扩散耦合模拟

采用硬球-拟颗粒(HS-PPM)耦合方法并结合简化的集总反应模型,模拟了碳四(C4)烯烃催化裂解过程中反应物和产物在孔道内的反应-扩散耦合过程,提出了一种多级孔道结构可控设计方法,实现了对孔隙率、孔径和孔体积占比等参数的独立量化调控,建立了包含三种不同孔径分布的催化剂孔道模型并定义了量化参数对反应-扩散耦合进行表征。结果表明,各组分在复杂孔道内的扩散过程显著受限,反应-扩散耦合性能较差,导致催化剂总体性能降低,达不到本征动力学允许的高反应速率。提出的可控设计孔道模型结合HS-PPM耦合模拟方法有助于催化剂材料的孔尺度结构的设计。

低马赫数下圆球绕流的硬球-拟颗粒模拟

硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM)能够描述流动的微观细节,已应用于反应-扩散耦合和超声速流动等的研究。但对过程工业中广泛存在的低马赫数(Ma<1.0)流动,HS-PPM的适用性还没有直接证据。本文以低雷诺数(Re≤10)和低马赫数(Ma<1.0)下的圆球绕流为实例探索了这种可行性。圆球表面以解析法描述以保证光滑性,并采用回弹模型保证无滑移边界条件,所有方向上采用周期性边界条件。当Ma<0.1时,分析了模拟体系固含率、模拟区域的形状以及努森数对曳力系数的影响。结果表明,曳力系数随固含率的提高而增加;低固含率下的曳力系数与无限大流场中的单颗粒绕流接近;低努森数下得到的曳力系数更高。采用时空平均得到的流场稳定、轴对称,且无明显的温度和密度梯度,符合公认的实验和模拟结果。Ma>0.1时的曳力系数随马赫数的变化符合前人报道。上述结果展示了HS-PPM用于低马赫数流动研究的可行性。

硬球-拟颗粒模拟高超声速稀薄气体流动

发展了适应高超声速稀薄流动的硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM),并分别采用硬球分子动力学模拟(HS)、HS-PPM和直接模拟蒙特卡洛(DSMC)对马赫数为5、努森数为0.8的圆球绕流进行模拟,证明了HS-PPM可以得到更接近HS的模拟结果。对雷诺数100、马赫数5~19的三维圆球绕流,采用HS-PPM模拟得到了填充率0.01~0.08、完全热边界和完全滑移边界条件下的曳力系数,与HS模拟结果的一致性较好;模拟了马赫数24、努森数0.11~4.55的零攻角三维尖锥绕流,结果与文献中DSMC的模拟结果相符。研究验证了HS-PPM处理高超声速稀薄气体流动的可行性。