加压循环流化床气固流动特性实验研究Ⅰ:颗粒体积分数分布特性

针对加压煤气化和化学链燃烧的发展需求,建立了一种加压循环流化床的冷态实验装置,研究了不同操作压力(0.1～0.5 MPa)下,平均粒径为137μm、密度为2 490 kg/m3的Geldart B类颗粒在提升管内的压降和表观颗粒体积分数分布特性.实验结果表明,上升管压降随固气质量比的增大而线性增加,增加的速率随操作压力的增加而增加,且基本不受操作气速和固体通量的影响.加压条件下,表观颗粒体积分数呈上小下大的分布,且随固体通量的增加而增加,随标态表观气速的增加而减小.在固体通量和操作气速一定的情况下,增加操作压力可以显著提高上升管内表观颗粒体积分数,并使其轴向分布更加均匀.     

沸腾态气-液-固搅拌槽内宏观混合时间的研究

在直径为0.476m的椭圆底搅拌槽内,采用电导率法研究了沸腾态气-液-固三相体系内混合时间特性。主要考察分散相(气体、颗粒)和功耗对混合时间的影响。实验结果表明：沸腾态搅拌槽内,同转速条件下,颗粒体积分数对单位质量功大小影响较小;仅转速高于480r/min范围内,表观气速增加,体系单位质量功略有下降。颗粒临界悬浮转速随颗粒体积分数的增加而增加,但不随表观气速的变化而发生变化。沸腾态气-液-固三相体系内,混合时间随表观气速或颗粒体积分数的升高而延长。     

变径流化床反应器内的气固流动特性数值模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,对直径为160 mm、高度为273 3 mm的变径流化床反应器内的气固流动特性进行冷态模拟,研究不同气速及不同初始物料量对流化床反应器气固流动特性的影响,得到流化床内颗粒体积分数、颗粒速度以及颗粒停留时间的分布。结果表明,当气速不小于2.5 m/s时,流化床内颗粒体积分数轴向分布更为均匀,颗粒速度呈中间高、两边低的倒"U"形分布;壁面附近的颗粒停留时间长于中心处,使得壁面附近的颗粒趋于聚集;流化床的轴径向颗粒体积分数随着初始物料量的增加而增大。     

流化床反应器内活性焦流动特性的模拟研究

本文基于双流体模型,对二维流化床反应器内活性焦在不同操作条件下的流体动力学特性进行了数值模拟研究。模拟结果发现,低气速高进料量条件下的管内压降最大,反应器内压降随管内固相容积份额的增加而增加。活性焦在反应器内的轴向固含率呈现出下浓上稀分布,证明了流化床内固相分布的不均匀特性。颗粒轴向平均速度受表观气速影响较大,流化床底部的颗粒速度较低,在气体夹带作用下沿床高方向逐渐增大。因此,设置合理的操作参数(表观气速和固体循环量),对提高流化床内的气固反应效率具有重要意义。     

气固两相栓塞流动的特性研究

在长距离气力试验台上,以压缩空气作为输送动力,分别对粉煤灰和水泥粉体进行输送试验,得出了气固两相流动特性参数的变化规律,分析输送过程的阻力特性.结果表明,随气体表观速度的增大,固体质量流率、固体速度及气固间滑移速度呈增长趋势,而压力损失呈下降趋势.考察了物料特性对两相流动特性及阻力特性的影响.利用力平衡原理建立了料栓平衡方程式,并结合试验数据得出了预测栓流运动阻力损失公式.     

固体颗粒对强化传递性质的多相气升式反应器流体力学影响

研究了加入机械搅拌和静态混合器后对多相气升式反应器流体力学性能的促进作用,重点考察固体颗粒的直径、固含率(固体质量分数,下同)对液体循环速度、气含率(气体体积分数,下同)等的影响。实验证明,对液体循环速度来说,在多相流中并非通气量、搅拌转速越大越好。对气含率而言,多相气升式反应器不但存在临界颗粒直径和临界固含率,还存在一个临界表观气速,在此气速以下,才能产生气含率随固含率增加而增加的现象。最后对气含率、固含率及能量耗散速率作了关联。     

气液固三相逆流湍动床流体动力学特性的三维数值模拟

基于多相流欧拉模型,应用计算流体动力学（CFD）软件Fluent 6.3,数值模拟了轻颗粒流、液体间歇方式进料的三维气液固逆流三相湍动床的流体动力学特性,考察了床内颗粒的轴径向速度和固含率分布规律。模拟发现：床内颗粒流化时存在颗粒的汇集行为;颗粒由床中心向壁面运动,中心附近颗粒径向速度大,壁面附近颗粒径向速度小;颗粒轴向速度分布不均匀,呈＂两头小中间大＂的趋势;固含率壁面附近高,中心附近低,并随轴向高度增加而减小;床内平均固含率随表观气速或液体黏度的增加而减小。     

轴流泵固液两相数值模拟及磨损特性研究

为研究轴流泵输送含沙水时过流部件的磨损情况,基于ANSYS CFX软件,应用非均相流模型和粒子模型,对轴流泵内固液两相流场进行数值模拟.重点分析了过流部件壁面处固相体积分数分布、固相滑移速度、体积分数分布及滑移速度与过流部件磨损的关系.结果表明:固相颗粒主要集中于叶片头部和叶片工作面,导致了叶片工作面磨损速度大于背面,并以进口头部的磨损破坏最为显著;固相滑移速度方向的不同,造成了叶片头部和叶片表面磨损类型的不同;固相滑移速度大的地方,固相体积分数较大,过流部件的磨损较为严重;在相同固相体积分数下,叶片工作面固相滑移速度大于背面;在叶片表面的同一部位,固相滑移速度均随着固相体积分数和颗粒直径的增大而增大,大颗粒对过流部件的磨损更为严重.     

方形气固流化床中局部颗粒速度实验研究

对FCC颗粒在截面尺寸为368 mm的方形流化床中研究了局部颗粒速度分布的基本行为。实验利用光纤探针测试了三个不同轴向高度的颗粒速度分布和静止床层高度对颗粒速度分布的影响。结果表明:截面局部颗粒速度随表观气速U g的增大同步增加,颗粒速度沿截面分布不均匀。在截面中心区,局部颗粒速度随U g增加而增加,上行颗粒速度增加更为显著。在边壁区,低气速时上、下行局部颗粒速度随U g增加而增加且增幅相近;高气速下局部颗粒速度表现出显著的波动过程。静床高度增加,对上行颗粒速度影响明显,但随着气速增加影响减弱。     

气固并流上行流动中颗粒均匀分布的稳定性

对气固并流上行流动中颗粒均匀分布的稳定性进行了分析.以颗粒运动学理论为基础,推导了偏离颗粒均匀分布状态的小扰动方程,并给出在扰动波长和颗粒体积分数为参数的空间上系统稳定的范围.由此发现,在颗粒浓度不太高的情况下,系统对于短波扰动是稳定的,对于长波扰动则是不稳定的.在表观气速较高的情况下,颗粒均匀分布状态几乎对所有扰动波都是不稳定的.当颗粒浓度很低时,只有波长很大的扰动才会使系统失稳,颗粒在某种程度上能保持均匀分布状态.当颗粒粒径小于某一临界值时,随颗粒粒径的增大,颗粒能保持均匀分布的浓度范围将减小;当颗粒粒径大于某一临界值时,随颗粒粒径的增大,颗粒能保持均匀分布的浓度范围将增大.物质密度较低的颗粒能在较大的颗粒浓度范围内保持均匀分布状态.     

烧结余热回收竖罐内固定床层的阻力特性

利用自制的固定床气固流动实验装置,研究气流通过余热回收罐体内料层的阻力特性,得到影响料层阻力特性的主要因素及其影响规律。研究结果表明,影响罐体内料层阻力特性的主要因素有颗粒表观流速、床层填充特性参数(颗粒直径及其分布、罐体的直径等)、床层温度等。其中,单位料层高压力损失随颗粒表观流速的增加呈二次方关系增加,随颗粒直径的增加呈指数关系衰减;临界雷诺数与床层几何因子呈线性关系,并随颗粒直径的增加呈线性关系增加;颗粒表观流速为1.0~2.5 m/s时,烧结矿单位料层高压力损失为0.33~1.72 kPa。     

搅拌强度对浮选机内液-固两相流场特性影响

采用标准k-ε湍流模型和流体颗粒模型对容积为20 L的KYF浮选机内液-固两相流场特性进行了数值模拟.研究结果表明:浮选机内流场呈上下两循环分布,混合、上升区流速高于分离区;在混合及上升区,颗粒运动速度与其粒度呈反比关系,在分离区则呈正比关系;定子、转子表面高压区均位于叶片迎风面,其表面绝对压力与搅拌强度呈正比关系;搅拌强度增加,混合、上升区的矿物颗粒体积分数降低,分离区体积分数增加;混合、上升区固相体积分数与其粒径呈正比关系,分离区呈反比关系;转子转速为600r/min的搅拌强度更有利于提高该浮选机工作性能.     

氧热法电石合成淤浆鼓泡床反应器的流动特性

针对氧热法电石合成的电石吸热反应和炭燃烧放热耦合特点,本文设计并研究了适用该过程的三相淤浆鼓泡床反应器。采用空气-水-氯化聚氯乙烯（CPVC）模拟物系,实测了不同表观气速、固体颗粒进料量和静液高度下淤浆鼓泡床床层中局部平均气含率、固含率轴向分布和大、小两类气泡的分布。结果表明表观气速越大,局部平均气含率越大;固体颗粒的加入减小了床层局部平均气含率。当Ug在0.136~0.196m/s之间时,固含率轴向分布随表观气速增大趋于均匀;固体颗粒进料量越小则固含率沿轴向分布越均匀。随着表观气速的增加,小气泡含量逐渐增加,大气泡含量逐渐减小;随着静液高度的增加,大气泡含量均是先增大后减小。上述结果表明电石生成反应与燃烧供热反应原位耦合于淤浆鼓泡床中是可行的。     

单个气泡在加压液-固流化床中上升速度的模型与计算

以考虑浮力、液相粘性阻力和颗粒相碰撞力的气泡受力平衡关系式为基础,发展并建立了加压液一固流化床中单个球形气泡上升速度的理论模型．针对不同的床内压力和颗粒相体积分数,计算了单个气泡在加压液一固流化床中的上升速度,并与实验测量数据进行了比较。     

横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响

为研究横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响,探究提高输送系统工作稳定性的方法,采用以颗粒动力学为基础的双欧拉模型和Fluent软件对横向摆动工况下的扬矿管内固液两相流进行模拟仿真,研究摆幅对管道压力损失梯度、出口处颗粒平均体积分数、颗粒体积分数沿径向分布以及颗粒轴向速度分布的影响。研究结果表明:管道摆动使压力损失梯度和出口颗粒平均体积分数呈周期性变化,摆幅越大,二者幅值变化越剧烈;随摆幅的增加,颗粒体积分数沿径向分布不均匀程度越严重,离管壁越近,颗粒聚集程度越高,最高体积分数达到30%;除管壁附近外,摆动工况下颗粒轴向速度沿管径基本呈线性分布,摆幅越大,轴向速度径向分布梯度越大,径向不对称性越严重。     

气液固流化床气泡特性及气含率预测模型

气含率及气泡直径会直接影响流化床内的反应进程及传质效率，为更好地认识局部流动结构，径向气含率及气泡直径分布成为重点研究内容，特别是径向气含率预测模型的建立具有重要意义．已有平均气含率预测模型都有各自的适用范围，对不同实验体系的应用会表现出局限性．针对以上问题，本文结合电导探针测量法与流体仿真技术，以直径为100 mm和高度为1.5 m的气液固流化床为研究对象，系统地研究了在气相表观速度为0.014～0.283 m/s、液相表观速度为0.007～0.028 m/s、液相黏度为1～40 mPa·s、液相表面张力为0.053～0.072 N/m及固相体积分数为0～30%条件下径向气含率及气泡直径分布特征．结合本实验系统及相关研究数据，提出一种适用于气液固系统的平均气含率预测模型．基于此预测模型，进一步考虑气相表观速度及表面张力对径向气含率分布的影响，采用粒子群优化算法建立气液两相体系的径向气含率预测模型．结果表明：两相及三相体系平均气含率预测模型充分考虑了气液相表观速度、液相物性、固相物性及管径对平均气含率的影响，相比现有经典平均气含率预测模型，拓宽了适用范围并提高预测精度，其平均绝对百分比...     

半间歇式沸腾床反应器中液相循环速度的测定

采用内径286 mm、高7.2 m的气-液-固三相沸腾床反应器进行了液相间歇、气相连续的操作研究，以水、空气、Al₂O₃球形颗粒构成三相体系，在固含率(体积分数)12%～30%和表观气速0.086～0.216 m/s下对宏观液相循环速度进行了测定。采用示踪剂法测定反应器进出口的多组示踪剂浓度曲线，使用MATLAB软件对液相轴向扩散系数进行求解，再代入爱因斯坦扩散系数定义式得到液相循环速度。实验结果表明，随着表观气速增大，液相循环速度相应增大；在固含率低于30%时，随着固含率增加，液相循环速度相应增加；但随着固含率进一步增大，液相循环速度的增幅越来越小。     

气固喷动床压力波动的Hurst分析

采用Hurst分析描述了不同喷动气速下气固喷动床中的压力波动行为 .发现压力波动信号中存在着不同程度的周期成分 .根据计算所得的Hurst系数H值随喷动气速增大而变化的曲线 ,可将颗粒床层的流动状态划分为 3个流域 :低气速时的不稳定流化、稳定喷动和高喷动气速下的不稳定喷动 .     

可压密相气固两相湍流流动的数值模拟方法

在ＤＩＰＳＡＲ算法的基础上,推导了适用于可压密相气固两相湍流流动数据会计的ＣＤＩＰＳＡＲ算法,利用提出的可压密相的两个ｋ－ε低湍流雷诺数模型,用ＣＤＩＰＳＡＲ算法,对竖直上升管中可压密相气固两相湍流流动进行了数值计算,同时考虑了密度变化和体积分数变化的影响,研究结果表明,随着颗粒体积分数的增加,颗料间及颗粒与壁面间的相互作用占了主导地位,使得单个颗粒脉动速度增大,但是气体及颗粒的速度差却随之减小,     

气固流化床中颗粒分离的软球模拟

基于颗粒轨道模型,建立了粒径服从均匀分布的二组分颗粒分离的软球模型.其中流体运动用Navier-Stokes方程描述,颗粒运动满足牛顿第二定理,两相间的耦合由牛顿第三定理确定.研究了表观气速、颗粒平均质量、颗粒直径分布范围、颗粒碰撞参数对二组分颗粒分离的影响.研究结果表明:表观气速太大或太小都会减弱二组分颗粒的分离行为;在各组分颗粒密度不同条件下,不同组分颗粒的平均质量相差越大,颗粒分离越明显;在各组分颗粒密度相同条件下,不同组分颗粒的直径分布范围差别越大,颗粒分离越好;理想状态下,颗粒分离的速度较快,且分离较完全.