基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

以欧拉多相流模型为基础,气相采用k-ε湍流模型,固相采用基于颗粒动理学理论封闭模型,引入传热、传质、煤热解、气化过程反应模型,建立了流化床煤气化过程的三维数理模型,该模型同时考虑了稠密气固流动和相内、相间的化学反应.对直径0.22m的流化床煤气化炉不同操作参数下的气化过程进行了三维数值模拟,获得了气化炉内气化产物的组分分布、温度分布及化学反应速率变化规律.模型的计算结果与实验结果进行了比较,结果表明:数值模拟与实验吻合较好,最小相对误差仅为1%左右,最大相对误差为20%左右,平均相对误差小于14%.     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟

采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动,考察了大颗粒流化床流化和流动特点,颗粒体积分率分布,床层压力瞬时变化,床层碰撞比,以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律.研究结果表明,与直型布风板流化床比较,凹型布风板流化床内的气泡产生快,颗粒横向运动能力强;随着颗粒密度的增大,其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快;比较3种曳力模型,发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异,且与床层膨胀比实验关联式相比,3种模型预测的值比实验关联式要大一些.通过研究,3个曳力模型中Gidaspow模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟.     

选煤流化床内气固流动的数值建模

为了对选煤流化床内低速浓相气固流动进行数值建模,采用Euler-Euler模型对选煤流化床内的气固流动进行了数值模拟。考虑了一系列子模型对流动结构的影响,通过分析各工况下的流动特征并将模拟结果与实验进行对比,最终确定了一套可应用于选煤流化床内浓相低速鼓泡流动行为的数值模型。结果表明,Syamlal气固曳力模型对选煤流化床流动特征的预测更合理,偏微分颗粒温度模型(PDE)能更准确地描述颗粒脉动行为。在浓相气固选煤流化床中,应该选择Dispersed k-ε模型来考虑气相的湍流行为,并采用部分滑移条件分析颗粒-壁面间的相互作用。     

卧式循环流化床锅炉燃烧的数值模拟

以清华大学专利技术"卧式循环流化床锅炉"为研究对象,用数值模拟的方法计算了炉内的流动和燃烧。以RNG k-ε模型模拟炉内湍流流动,用气固阻力分析模型描述气固两相相互作用,用单收缩核模型模拟炉内燃烧反应,并将数值计算结果与试验数据进行了比较,验证了所用模型的适用性及兼容性。数值模拟结果表明:1.5∶1的一二次风比率较适宜锅炉运行,床温的变化滞后于给料量的变化。该研究可以指导卧式循环流化床锅炉的设计和运行。     

喷动流化床流动特性的数值模拟

本文在实验研究的基础上,建立了喷动流化床流动特性的三维湍流数学模型。该模型可揭示气固两相喷动流化床的流动特性,弥补实验手段的不足。模型的气相流场采用欧拉方法,固相颗粒场采用离散单元直接数值模拟的方法,并以SIMPLE算法为基拙,对模型进行了求解。     

水嘴内部的湍流数值模拟

水嘴内部流动复杂,研究内部湍流对其流动结构优化与湍流模型选择具有重要价值.文章选择k-ε模型、k-ω模型和RSM及它们的修正子模型等8种湍流模型对水嘴内流场进行数值模拟,试验所得出口流量与仿真所得出口流量对比,模拟结果与实验结果一致.对比分析所选区域的压强、湍流耗散率和进出口流量百分比,结果表明,压强会随着流道内部结构的改变而发生明显的变化,湍流耗散率在流体进入阀芯处和流体在阀芯顶部处的变化最为显著.通过对比进出口流量的百分比,在水嘴内部湍流模拟中,k-εstandard、RNG和k-ωstandard湍流模型的精度相较高,而k-ωBSL和SST湍流模型模拟的精度较低.     

百叶窗浓缩器内流场特性的实验及数值模拟研究

为研究百叶窗煤粉浓缩器(LCC)的气固分离机理,对LCC内单相流场进行了实验和数值模拟研究。在二维LCC实验台上采用恒温热线风速仪测量了平均速度和脉动速度。应用FLUENT软件对LCC内的流场进行模拟,湍流模型包括标准k-ε模型、可实现k-ε模型、RNG k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)四种。对比数值模拟结果和实验结果发现,四种湍流模型预报LCC内平均速度均与实验结果有较好的一致性,但在预报湍流动能方面,只有可实现k-ε模型和RSM模型给出了合理的预报。数值模拟结果表明:LCC内叶片背面和分流挡板的迎风侧存在旋涡;叶片对LCC内流场影响较显著的范围在距离叶片10mm位置处;当叶片倾角大于31°时,叶片上游更多的气流被分离下来,并且分离点距叶片前端的距离随着叶片倾角的增加近似呈线性增加的趋势。     

大颗粒流化床传热数值模拟与气固传热模型比较

采用欧拉-欧拉模型对GeldartD类颗粒气固流化床的非定常传热过程进行了模拟,比较了包括Gunn模型在内的6种不同的气固传热系数模型.通过模拟二维流化床发现,基于6种气固传热模型得出的平均壁面传热系数与文献的实验关联式相差不大,但是6种模型给出的局部气固传热系数呈现较大的差别,其原因在于不同模型中的两个主要影响参数颗粒雷诺数和床层空隙率的贡献不同.比较了6种气固传热模型之后,采用Gunn模型对D类颗粒的流化床进行了模拟和分析,结果表明:尽管存在较大的气泡和一定程度的腾涌,D类颗粒流化床可以实现稳定的流化.从流化床内的温度分布的演化来看,D类颗粒流化床的传热均匀性不存在问题,较大的颗粒直径和较大的气泡并未造成传热问题.     

三种湍流对Scramjet燃烧室冷态流场的数值模拟

为验证从超音速混合层中发展而来的修正可压缩性(包括膨胀可压缩性和结构可压缩性两部分)的k-ε湍流模型对复杂超音速流场的预测能力,对复杂的超音速燃烧冲压发动机(Scramjet)燃烧室冷态流场进行数值模拟.将修正k-ε模型、标准k-ε模型以及标准k-ω SST模型的计算结果与实验结果进行了对比.结果表明,修正k-ε模型能够较好地预测该复杂流场,对湍流动能的预测改进较大,优于k-ω SST的结果,与实验吻合得较好;壁面压力分布以及速度分布在激波附近修正明显,与实验结果更加吻合.     

不同湍流模型数值模拟三维轴对称凸体分离流动的比较

采用基于非结构化网格的有限体积法对三维轴对称凸体分离流动进行了数值模拟.分别采用标准k-ε模型、可实现(Realizable)k-ε模型、低Re数k-ε模型、剪切应力输运(Shear Stress Transport,SST)k-ω模型和低Re数SST k-ω模型,进行了数值模拟和计算.给出了计算模型、流场网格以及计算结果,并与实验结果进行了对比,结果发现:低Re数k-ε模型模拟效果最佳,与实验结果最为接近.     

TBCFB中鼓泡流化床的流体力学模拟及其进料系统压力分析

运用欧拉-欧拉双流体模型,对TBCFB中连续进出料的鼓泡流化床(BFB)进行了数值模拟,并建立了进料系统的压力平衡模型;考察了进料管长度、内径和固体质量通量对床中气固流动行为的影响。结果表明:在进料管长度大于1.1m、进料管内径大于0.1m时,气固接触效果较好;随着固体质量通量增加,进料口附近的固含率增大,床层固含率和高度也同时增大;固体质量通量增加导致进料管内固体堆积高度增加的难题,可通过减小管壁摩擦系数、增大内径或减小进料管埋入深度来降低。该结果为固体质量通量的进一步提高提供了理论依据。     

多孔板除雾器除雾性能模拟研究

针对传统Zig-zag(波纹板)除雾器对细颗粒物捕集效率低、带钩板Zig-zag除雾器压降较大,均限制了Zig-zag除雾器性能的问题,提出一种改良内部结构的新型除雾器,运用计算流体力学(CFD)技术对采用多孔板设计的新型Zig-zag除雾器进行了数值模拟与研究.计算采用欧拉-拉格朗日两相流模型对连续相及离散相进行模拟,采用可实现的k-ε湍流模型模拟烟气湍流作用,采用随机轨道漫步模型对颗粒湍流效应进行描述.研究结果表明:多孔板除雾器相比于传统Zig-zag除雾器,除雾效率由81.1%提升至93.5%;相比于带钩板除雾器,在维持除雾效率的同时压降可降低35.6%.     

布风装置对流化床流动特性的影响

以欧拉双流体模型和颗粒动力学方法为基础,采用基于压力的PC-SIMPLE算法,标准k-ε的分散湍流模型,数值模拟了在3种不同气体布风装置下流化床内气固两相流动,获得了其床内颗粒体积分率和速度的分布规律.相对于单层多孔板流化床,管式和凹形多孔板流化床达到稳定流化状态的时间较短.在相同的床高和径向位置处,管式和凹形多孔板流化床内颗粒体积分率随时间的变化较强烈.不同布风装置的流化床总体上在床内形成了中心区域体积分率较小,向上运动;近壁面区域体积分率较大,向下运动的"环核"结构.     

水力旋流器数值模拟参数的基础研究

水力旋流器广泛应用于固液、固气、固固等分离领域,因水力旋流器具有结构小、效率高和操作方便等特点使之广泛应用于各个分离领域。为不断开发水力旋流器的分离能力,单纯的实验方法优化旋流器已满足不了工业需求。随着计算机的发展,数值模拟与实验结合利用是未来水力旋流器的发展方向。数值模拟的准确性很大程度上取决于模拟模型的选择,针对旋流器模拟参数中湍流模型、多相流模型和曳力模型进行模拟研究,模拟结果与前人实验对比验证,结果表明,雷诺应力模拟(RSM)、欧拉模型(Eulerian)和Schiller-naumann曳力模型组合更加适合水力旋流器模拟。模拟结果可为旋流器深度模拟研究提供指导,对于旋流器实际工业化应用提供理论参考。     

用扩散流模型数值模拟后台阶湍流颗粒输运

建立了一个两维气固两相湍流扩散流数学模型,并且用此模型数值模拟了气固两相绕流后台阶的湍流流动.预测分析了台阶后固体颗粒的湍流输运速度,并将预测结果与Laslandes等的用两种两流体模型(k-ε-A p ,k-ε-k p )的数值预测结果及实验结果进行了比对,结果表明扩散流数学模型可以用于描述气固两相流动.它的预测效果不但与目前实用的两流体模型相当,而且还可以正确地预测固体颗粒的横向速度,在这一点上还超过了两流体模型的预测效果.     

超音速射流流场湍流模型适应性研究

为了系统研究Fluent湍流模型对超音速射流的适应性状况,运用Fluent自带的5种湍流模型,对Ma=1.7的喷管进行了数值模拟,得到了不同超音速射流在轴线上距喷管出口一定距离的速度与温度分布图,并与试验测试值进行了比较。结果表明,采用标准k-ω模型和标准k-ε模型模拟时与试验结果相差较大,RNGk-ε模型、可实现k-ε模型和SSTk-ω模型的模拟结果差别不是很大。综合近场和远场与试验测试值的比较可以看出,采用SSTk-ω模型模拟的射流结果与试验测试值的吻合度最高,因此该模型最适用于Ma=1.7喷管的超音速射流模拟。研究结果可为转炉炼钢的吹氧装置设计提供参考。     

高炉三维气固湍流和煤粉燃烧过程数值模拟

基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化方程,建立并发展了高炉风口回旋区湍流气固两相流动和煤粉燃烧的三维数学模型.用所建模型分别对冷态模型内气固两相流动和某企业750 m3高炉风口回旋区内的气固两相三维流动与煤粉燃烧进行了数值模拟.采用三维激光相位多普勒分析仪(PDA)对冷态模型内气固两相流场进行了测量,实验结果与冷态两相流动的模拟结果基本一致.热态模拟结果给出了气相温度和组分浓度分布,模拟结果与实验测量结果较吻合,揭示了风口回旋区内气固两相流动和煤粉燃烧的基本性质和特点.     

不同湍流模型在90°弯管数值模拟中的应用

为了揭示不同湍流模型对弯管内部流动模拟的影响因素,在90°弯管PIV(粒子成像测速仪)试验研究的基础之上,采用6种湍流模式模拟了方形截面90°弯管内的三维湍流流动,与试验数据进行了比较,并根据试验与数值计算的比较结果,选择较优的湍流模型模拟了半径r=164mm的速度分布曲线以及各个截面内的流动情况.结果表明:LES(大涡模拟)模型的计算结果在流体运动的整个过程中与试验值符合较好;其他湍流模型模拟弯管直线段时,计算误差较小,而一旦流体进入弯曲段后,计算值与试验值存在一定差异.相对于RNG(重正化群)k-ε(湍动能-耗散率)湍流模型,LES模型计算半径r=164mm上速度分布与试验值更为接近.此外,LES模型能够较好地模拟出弯管各个断面上的二次流动情况.     

剪切应力输运k-ω湍流模型在细长弹体可压缩分离流中的改进

为研究飞机和导弹的细长体可压缩湍流分离流问题,对剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型进行了改进。数值模拟了马赫数2.5和0.7、攻角14°下细长旋成体的湍流分离流场,给出了原SST k-ω模型和改进的SST k-ω湍流模型的细长体背风面极限流线、分离涡的强度和位置、物面压力分布的计算结果,并与实验结果进行了对比。结果表明,对计算细长体可压缩分离流动的绕流特性,SST k-ω模型引入的Bradshaw数(雷诺切应力与湍动能之比)应由0.31修正为10/29,修正后的SST k-ω模型与原SST k-ω模型相比,所计算的分离涡的强度和位置、物面压强分布与实验结果更接近。