基于CFD-PBM含油污水沉降实验装置的数值模拟

沉降是目前油田含油污水处理过程中重要处理方法之一,而含油污水的油水分离特性是影响油田含油污水沉降处理工艺效率的关键因素。文章设计并搭建了含油污水沉降实验装置,对装置中含油污水沉降分离过程进行CFD-PBM数值模拟。首先运用实验验证模拟方法的可靠性,然后分析了不同油水相黏度、配液含油量和温度对含油污水沉降过程的影响,获得了含油污水在沉降装置中的沉降分离特性:当其他条件一定时,含油污水静置沉降过程中,油水相黏度越小,配液含油量越大,温度越高,含油污水沉降分离速度越快,油滴更容易从含油污水中快速分离出来上浮至顶部,表现出良好的油水分离效果。研究结果可为油田含油污水沉降实验研究及沉降处理工艺的运行提供一定的理论支持。

外环流反应器流动行为和气泡直径尺寸分布的CFD-PBM数值模拟

外环流反应器具有湍动剧烈、反应速率快等优点,广泛应用于磷化工行业。采用PIV(particle Image Velocity)研究外环流反应器内流动行为,并采用CFD-PBM耦合模型对鼓泡塔反应器内两相流动进行模拟,模拟的气速范围为0.01~0.04 m/s,气液两相流动采用Eluer-Eluer双流体模型,考虑曳力、升力、虚拟质量力;湍流模型采用k-ε模型,并考虑气泡对湍动的附加影响;采用PBM(Private brand management)模型模拟气泡的聚并和破碎。结果表明:表观气速对气泡直径尺寸分布有较大影响,循环液速随表观气速先增加后减小,表观气速为0.03 m/s时,循环液速达到最大值。模拟的平均气含率与实验结果进行比较,模拟结果与实验结果吻合较好。本研究可以为理解外环流反应器的流动、混合提供理论基础。

基于PBM和BBD的轴流螺旋式分离器结构优化

为解决稠油因黏度及密度较大而难以实现油水分离的问题,借助轴流螺旋式分离器研究稠油分离性能,并利用群体平衡模型和box-Behnken design对结构进行优化设计。研究表明:与溢流管插入深度相比,轴流螺旋式分离器的旋流腔长度、螺旋流道数、锥角及溢流管直径对油水分离性能有更大的影响;螺旋流道数和锥角对除油效率的交互影响大于其他结构参数,而螺旋流道数和溢流管直径对压降的交互影响更大;分离器优化后的除油效率为85.44%(增大3.56%)、底流含油体积分数为2.01%(降低0.3%),溢流、底流压降分别为0.724 MPa(降低0.234 MPa)和0.348 MPa(降低0.337 MPa)。设计得到的轴流螺旋式分离器可为稠油采出液分离装置设计与应用提供重要参考。

不同黏度下气液体系流体力学行为的PBM模拟

基于Euler-Euler双流体模型,分别采用均一气泡尺寸和PBM方法对鼓泡床内气液两相流体系中的流体力学行为进行了数值模拟,经与实验结果比较表明,采用PBM方法获得的模拟结果更为准确,表明了PBM方法的优越性。采用PBM模型模拟了不同黏度气液体系中的流体力学行为,获得了包括平均及局部气含率分布、气泡尺寸分布、循环液速和大小气泡的空间分布等流体力学信息,并将模拟结果与相应操作条件下的实验结果进行了比较,吻合较好,说明PBM方法不仅可以用于鼓泡床反应器内气液两相流体系的模拟研究,还能对不同液相黏度下气液体系中的流体力学行为作出正确的预测和描述,为多相流反应器的设计和放大提供了有益的参考。

基于矩阵PBM的煤粉超细粉碎过程研究

建立基于研磨过程机理的煤粉超细研磨动力学模型可以预测超细磨出料的粒度分布和指导优化磨机的研磨效率,降低研磨能耗,对制备低灰分的超净煤具有非常重要的作用。通过田口(Taguchi)正交实验设计,使用实验室1.5 L立式搅拌磨机考察了不同煤的物性参数、磨介尺寸和煤粉比处理量对于超细研磨的影响,将基于研磨过程特征的动力学模型矩阵粒群平衡模型(Matrix Population Balance Model,M-PBM)用于煤粉的搅拌磨机超细研磨出料的粒度预测,并结合Rosin-Rammler粒度分布模型,精确地预测出料产品在任意筛下累积含量对应的颗粒粒度。通过极差分析,探讨了煤的灰分、磨介尺寸和煤粉比处理量对于超细研磨能耗和比通量的影响大小,基于对煤粉超细研磨过程中煤-灰解离过程的分析并结合Tomoyoshi的比表面积能耗公式,探讨了煤的灰分与能耗的关系,并进一步建立了煤的灰分、磨介尺寸和煤粉比处理量与磨机研磨比通量和能耗的关系式,研究发现搅拌球磨机湿法超细研磨的粒度变化规律符合一阶线性动力学假设,在定搅拌转轴转速和所考查的研磨粒度变化范围内,煤的灰分对搅拌磨机的比通量和能耗的影响是最大的,建立的研磨能耗和比通量关系式表明在10μm(p50)以下的超细粉磨粒度范围内,煤的研磨能耗随着灰分的提高、磨介尺寸的减小(磨介尺寸在0.3~1.8 mm)和比处理量的增大而减小,而比通量随着灰分的提高、磨介尺寸的减小和比处理量的增大而增大。

基于CFD-PBM积分矩量法旋风分离器中颗粒聚团的数值模拟

为了得到颗粒聚团对旋风分离器分离性能的影响,在不同入口颗粒浓度与入口气速下研究其对分离效率的影响。采用雷诺应力模型(RSM)计算湍流流场,通过群体平衡模型(PBM)耦合CFD对颗粒相进行数值计算。研究结果表明:时间为2 s时,旋风分离器内的聚团作用已经趋于稳定,颗粒粒径在1.5μm到3μm范围的颗粒在旋风分离器内基本无法被捕集,而粒径大于5μm的颗粒其分离效率接近于100%;随着入口颗粒浓度的增加,总体分离效率增加,而增加入口气体速度,对分离效率的影响并不是很大。

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。

高应变率单轴压缩下岩体裂隙扩展的细观位移模式

为了研究动态荷载作用下岩体裂隙扩展机制,通过细观颗粒平行黏结模型(PBM)的模拟,分析了高应变率单轴压缩条件下单裂隙岩样的损伤演化及细观位移场。高应变率大小对岩样最终破裂形态影响不大,但随应变率的增大,细观裂纹越多且局部化程度越强。随着裂隙倾角的增大,裂纹分叉交织越密,并在裂隙倾角≤45°和≥60°范围内分别具有相似的破裂形态。裂隙尖端翼裂纹是倾斜裂隙面相对滑移致使尖端撕裂的结果,高应变率下翼裂纹在峰后不再扩展。应变率越小,裂隙倾角越小,翼裂纹扩展的长度越长。定义了3类细观颗粒间的位移模式及其所形成的3类裂纹性质。将裂纹扩展概括为6种基本模式:翼裂纹+张拉、顺翼裂纹、反翼复合裂纹+张拉、顺翼复合裂纹+张拉、共面复合裂纹和倾斜复合裂纹,其中复合裂纹为拉剪裂纹或压剪裂纹。

不同回转形状螺旋管内油水分离数值模拟研究

为优化螺旋管油水分离能力,对不同回转形状下螺旋管的分离效率进行研究。以水和油为混合介质,运用Euler-Euler多相流模型及PBM相群平衡方程对螺旋管内油水两相流动进行数值模拟。研究了圆形螺旋管在混合液入口流速为0.10~0.50 m/s范围内与在同一速度不同回转形状下管内油水分离效果及两相分布规律。对于圆形回转形状的螺旋管,在一定范围内,随着流速加快,其分层明显,油水分离效果增强,可当流速过快,分离时间减短,油水分离效果减弱,研究中的几何模型相对较佳的入口流速为0.30 m/s;在相同的流速及主要的几何参数情况下,三角、四边、五边回转形状的螺旋管,随着其边数的增加,回转碰撞聚结的概率提高,其油水分离效果提升,圆形回转形状相当于拥有无数条边数的多边形,所以分离效率最高,分离效果最好。研究结果可为螺旋管结构形状的优化设计提供参考。

圆柱扰流对燃煤细颗粒物团聚影响的数值模拟

燃煤锅炉产生的细颗粒物已经成为大气污染的主要来源,由于烟气中的颗粒物粒径较小,传统除尘器难以对其进行有效脱除.利用湍流团聚对含尘烟气进行预处理是一种促进细颗粒长大,进而有效脱除细颗粒物的新方法.采用k-ε湍流模型耦合颗粒群平衡模型(PBM)对扰流圆柱后方细颗粒物的聚并效果进行了研究.着重讨论了速度、颗粒的体积分数、入口颗粒的斯托克斯数(St)数对颗粒团聚效果的影响.模拟结果表明,速度越大,湍动能耗散率也越大,颗粒的团聚效果较好;增加入口颗粒的体积分数,提高了颗粒碰撞的几率,对颗粒物的聚集有促进作用;入口颗粒的St数越小,颗粒的初始粒径越小,小颗粒较好的跟随性会跟随流体的流动被漩涡所卷吸,颗粒聚并效果越显著.

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。

绕流圆柱对气固两相流场颗粒聚并效果的研究

采用大涡模拟耦合群平衡模型的方法模拟绕流圆柱流场中颗粒的扩散特性和聚并效果。分析圆柱尾迹的分布,研究流动时间、颗粒St数和颗粒的体积分数对细颗粒聚并的影响。结果发现:随着流场的发展,沿着流动方向涡量值逐渐减小,不同粒径的颗粒受漩涡的影响在流场中的分布不同;增大入口处颗粒的体积分数,可增强颗粒聚并效果,颗粒的体积分数增大到一定值后,颗粒聚并效果变得不明显;当入口颗粒St≤1时,颗粒的St数越小,聚并效果越显著。

吹氩钢包内气泡聚并破碎和运动行为

基于Euler-Euler双流体模型及PBM模型,建立了吹氩钢包流场数学模型.此模型考虑了吹氩钢包内气液两相之间的曳力、升力、湍流扩散力和气泡的聚并和破碎等因素.研究了气泡聚并破碎对钢包钢液内含气率、气泡速度和混匀时间的影响,并与定气泡直径下的流场进行对比.数值结果表明:PBM模型的预测值更接近实验结果;钢包内气泡分布为中心区域气泡直径大,从中心到气液边界处气泡直径逐渐减小,气液两相区边界处直径最小;在钢包轴线上气泡速度先急剧增加然后缓慢减小,在接近液面处气泡速度又急剧减小.

燃烧法和固相法所制备的红褐色陶瓷颜料ZnFe_(1.2)Cr_(0.8)O_(4)的研磨效果研究

本文以燃烧法和固相法分别制备的红褐色陶瓷颜料ZnFe_(1.2)Cr_(0.8)O_(4)(燃烧法:C-ZnF;固相法:S-ZnF)为研究对象,采用正交试验的方法对颜料颗粒的研磨最优参数进行分析探讨。使用激光粒度仪表征研磨前后颜料颗粒的粒度及其分布,通过极差分析法来分析研磨的最优参数。结果表明,上述两种颜料颗粒的最优研磨条件均为:添加5wt%的分散剂WF211,研磨时间为100min,研磨转速为2000rpm。在相同的研磨条件下,对比固相法制备的颜料颗粒S-ZnF,燃烧法制备的颜料颗粒C-ZnF可以得到颗粒粒度细且分布窄的颜料颗粒产品。另外,采用一种粒数衡算模型(PBM)来模拟颜料颗粒的研磨过程破碎行为,计算颜料颗粒在研磨过程中的选择函数矩阵。通过模拟分析表明,颜料颗粒C-ZnF的研磨效果要优于颜料颗粒S-ZnF。

旋流钢包长水口对夹杂物碰撞聚合影响的数值模拟

与传统钢包长水口进行对比,通过改变钢包长水口的结构以实现钢液的旋转,并研究钢液旋转对夹杂物碰撞聚合的影响。运用ANSYS软件并结合所述的模拟条件,利用PBM模型模拟了旋流钢包长水口内钢液旋转时夹杂物的碰撞聚合情况,通过正交试验得出夹杂物碰撞聚合的最佳参数组合方案。结果表明:在钢包长水口内安装螺旋型旋流引导装置使钢液发生旋转,有利于夹杂物的碰撞聚合。在相同操作条件下,应用传统钢包长水口时夹杂物的平均直径由3.90μm增加到4.08μm,而应用旋流导轨个数为2个且分别旋转6周的旋流钢包水口时夹杂物的平均直径由3.90μm增加到4.21μm,夹杂物平均直径增长率最大。旋流钢包长水口的使用增加了夹杂物的碰撞概率,促进了夹杂物的聚合长大,有利于夹杂物去除率和钢液洁净度的提高。