稠密气固流动中的格子-确定性轨道模型

为模拟稠密两相流动中颗粒间真实碰撞过程及降低计算量,提出了格子-确定性颗粒轨道模型.模型用Lagrangian轨道法求解颗粒运动,并通过空间格子划分减少碰撞判断的次数.利用该模型成功模拟了二维稠密气固两相流动中的颗粒聚集现象.结果表明,模型能在合理误差范围内极大降低计算量,例如计算量降低为原模型1/99时,相对误差为17%,为模拟大尺度和复杂工况稠密两相流动奠定了基础.     

磁流化床气固两相流动的数值模拟及实验验证

建立了床体为圆筒的磁流化床筒化数学模型。采用SIMPLEC算法对此类磁流化床床内的气固两相流动进行数值模拟，并对多种运行条件下床内气固两相流动的数值模拟结果进行分析，获得了磁流化床内气固两相在偏离或接近临界稳定区域的流化特性。通过用相对应的实验装置进行实验验证。结果证明：该简化的双相模型和SIMPLEC算法对磁流化床床内气固两相流场进行数值模拟具较好的适用性和准确性。     

局部富氧喷煤直吹管内气—固两相流动及传热数值模拟

以气－固两相的动量、热量、物质守衡为基础,用多流体模型描述气体和颗粒两相的运动,用气相湍流模型和颗粒湍流代数模型分别描述了气相和颗粒相的湍流特性,建立了高炉局部富氧喷煤直吹管内气－固两相流动及传热的数学模型。数值模拟了９种工况下的气相流场、温度场以及煤粉颗粒相的速度场、浓度场和温度场,并研究了富氧率、风温、固气化、插枪角度等喷吹参数对各种场量的影响。数值模拟结果与实测值符合良好。     

气—液两相瞬变流的流固耦合研究

论述了国内外气-液两相瞬变流流固耦合的研究成果及现状，阐述了气-液两相瞬变流的流动规律和流固耦合研究的各种方法。评述了气-液两相瞬变流、流固耦合等方面的理论模型和数值计算方法，并对不同模型和数值方法进行了比较和分析。指出了目前两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题，预测了流固耦合研究的方向应为两相流体瞬态时的流固耦合实验研究和耦合模型的数值计算方法研究。     

气固催化反应流动的CFD-DEM模拟研究

针对复杂气固催化反应流动系统,提出一种新的气固催化反应流动的模型框架,即CFD-DEM反应流模型框架,计算流体力学（CFD）方程用于描述气相的流动和传递行为,离散单元法（DEM）用于描述颗粒相的运动。结合石油催化裂化（FCC）过程,考虑颗粒间传热和气固相间传热模型、催化剂颗粒瞬态失活模型以及FCC过程的4集总动力学模型,建立完整的CFD-DEM反应流模型。应用所建模型模拟在不同剂油比操作下高2m,宽0.05m的二维提升管和下行式反应器内的FCC过程。由于能实时追踪各个催化剂颗粒的运动、传热和化学反应行为,模拟结果直接揭示了不同的流动结构和颗粒返混行为对反应器性能（如汽油、焦炭等产物的选择性）的影响。此外,方法论本身可推广至FCC过程以外的气固相催化或非催化过程的精细描述。     

气 -液两相在多孔介质内同向向上流动的CFD研究

基于计算流体力学中欧拉模型,研究了气-液两相在球形多孔介质填充床内同向向上流动情况.分别采用Tung&Siefken模型、Schulenberg模型以及Attou模型通过用户自定义功能的形式添加气固、液固、气液间曳力程序对填充床流动情况进行CFD三维数值模拟.对其模拟结果与实测数据进行对比发现:Tung&Siefken的模型更适合模拟在常温常压下直径在2～8mm的球形多孔介质内气-液两相流流动,此模型CFD数值模拟的压降差、持液量结果均与实测数据吻合很好.     

催化裂化再生器内气固两相流动及烧焦反应的数值模拟

在气固两相流动模型的基础上,结合催化剂的烧碳、烧氧反应动力学模型,并考虑相问热量、质量传递对流动的影响,建立再生器气固两相流动及烧焦反应模型,对工业再生器进行模拟计算.结果表明:建立的气固两相流动及烧焦反应模型具有良好的预测性,对工业再生器的计算较好地揭示了再生器内的气固流动状况、组分摩尔分数变化及温度场分布等,结果与实际数据基本符合;模拟时忽略了再生器的内构件,对模拟结果有一定的影响.     

计及颗粒间碰撞的湍流气固两相流模型及验证

针对较高浓度的气固两相流动，提出了一种新的结合Ｅｕｌｅｒ方法与Ｌａｇｒａｎｇｅ方法的理论模型，该模型运用分子运动谕论模拟了固体颗粒间的相互碰撞其计算结果较好地与实验结果相吻合，证实了该模型的合理性，为高浓度气固两相流动的研究提供了新的方法。     

水平管段高压超浓相煤粉输送特性的数值模拟

在充分考虑气固两相相互作用的基础上,利用修正后的κ-ε湍流模型对以CO2为输送介质的高压超浓相煤粉气力输送进行了数值模拟.对于固相体积分数高达25％的高压超浓相煤粉气力输送,采用该模型模拟一体化管道(垂直管、弯管、水平管连接在一起),获得了水平管段中不同粒径的颗粒在截面上的速度分布、浓度分布,以及不同表观气速下水平管段中固相的径向浓度分布.模拟结果表明,在相同的输送条件下,大粒径煤粉的速度较低,更容易在水平管道沉积;煤粉粒径相同时,表观气速较大的颗粒在沉积区的浓度分布较小.将模拟结果与相同试验条件下的水平管电容层析成像(ECT)结果进行了对比,验证了本文模拟结果的正确性.     

叶片泵内气液两相流的三维流动数值模型

基于双流体模型建立针对叶片泵内气液两相三维湍流流动的数学模型和数值计算方法.相间作用力考虑了阻力和附加质量力,湍流模型考虑了因相含量脉动引起的附加源项,在SIMPLEC算法基础上提出了一种气液两相流的压力修正算法.运用所建模型计算了叶片式气液混输泵在进口含气率分别为5%,15%,25%的系列工况下叶轮的内部两相流场,并作了扬程特性预测.与实验结果的对比表明,所提出的流动模型是可靠的,并具有较宽的进口含气率适用范围.     

Mixed Model for Silt-Laden Solid-Liquid Two-Phase Flows

The kinetic theory of molecular gases was used to derive the governing equations for dense solid-liquid two-phase flows from a microscopic flow characteristics viewpoint by multiplying the Boltzmann equation for each phase by property parameters and integrating over the velocity space. The particle collision term was derived from microscopic terms by comparison with dilute two-phase flow but with consideration of the collisions between particles for dense two-phase flow conditions and by assuming that the particle-phase velocity distribution obeys the Maxwell equations. Appropriate terms from the dilute two-phase governing equations were combined with the dense particle collision term to develop the governing equations for dense solid-liquid turbulent flows. The SIMPLEC algorithm and a staggered grid system were used to solve the discretized two-phase governing equations with a Reynolds averaged turbulence model. Dense solid-liquid turbulent two-phase flows were simulated for flow in a duct. The simulation results agree well with experimental data.     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

流化床烟气脱汞气固两相流动的可视化研究与数值模拟

为了探究流化床烟气脱汞反应器内气固两相的流动过程,通过可视化显形实验对不同主流化风速、床层物料高度、颗粒粒径和活性炭喷口速度下反应器内气固流动的行为和特征进行了研究.通过计算流体动力学方法对气固两相流动过程进行了数值模拟,并与实验进行比较.结果表明,数值模拟具有流动模拟的可靠性.主流化风速增加或颗粒粒径减小,均会加剧气固两相流动的剧烈程度,活性炭喷口气流会造成气固两相的局部湍动,但床层物料高度由于受到壁面与颗粒的摩擦力和内部气泡大小的综合作用,对气固流动行为的影响不显著.     

有限空间风沙流动数值模拟及边界条件问题

采用Euler方法的双流体模型和颗粒动理学方法对二维风沙气固两相流动进行了数值模拟,研究不同边界条件下的气固两相速度与浓度分布以及进口条件下的风沙流动。结果表明,对边界为固体壁面的流动,沙粒边界条件对其浓度分布有严重的影响,必须计及能量平衡和沙粒速度滑移效应,体现为沙面上的沙粒起动和碰撞特性;进口效应的存在使得在较短的距离内不能获得合理的流动结构,要求根据实验给出准确的进口条件,或者计算域有足够的长度,使流动结构不受进口效应的影响。     

气力输送的数值模拟研究

对气相湍动能采用修正的κ-ε二方程模型,颗粒相湍动动能采用颗粒动力学方法,发展建立了气力输送的数学物理模型和计算方法,就垂直管中圆柱坐标系下二维悬浮稀相和密相动压气力输送过程进行了初步数值研究,所得结果(包括管压降、气固速度分布、一定输送量下最佳经济速度等)与文献实验结果吻合,为进一步用该法研究气力输送打下了基础.     

气固流动大涡模拟和两相湍流模型的评价

用基于气体Smagorinsky亚网格应力模型和颗粒动力论模型的双流体大涡模拟(LES)以及统一二阶矩两相湍流模型(USM-RANS),对轴对称突扩气固流动进行了数值模拟。结果表明:LES模拟的颗粒轴向平均速度和均方根脉动速度,以及USM-RANS计算得到的模拟结果都与实验结果吻合较好。LES得到的颗粒-气体轴向脉动速度关联值比USM-RANS模拟值更接近实验值,这表明USM-RANS模拟还有改进余地,并基本上得到了LES的验证。LES的瞬态模拟能显示气固湍流流动的各向异性两相湍流结构和颗粒弥散的发展过程,而USM-RANS无法实现。     

撞击流气固两相流动中曳力模型的分析

为研究水平对称撞击流中气固两相曳力模型对球形颗粒运动的影响,运用FLUENT软件对spherical、stokes-Cunningham模型以及一种新型曳力模型下的气固两相流进行了数值模拟。新型曳力模型利用FLUENT中用户自定义函数(UDF)程序实现。采用欧拉-拉格朗日方法计算流场速度分布、进出口压力差、颗粒在撞击流装置停留时间以及颗粒运动轨迹。结果表明,采用新型曳力模型模拟撞击流气固两相流动,其速度分布基本关于撞击面对称分布。对于不同曳力模型,气固两相撞击流装置进出口的压力差在24. 9～25. 0 Pa之间。采用新型曳力模型模拟颗粒在撞击流装置停留时间主要分布在0. 4～1. 0 s,其颗粒运动现象与实验结果在定性上是一致的。     

考虑颗粒尾涡效应的二阶矩两相湍流模型

将作者曾提出的颗粒尾涡增强气体湍流模型加入到二阶矩-颗粒动力论两相湍流模型中,建立了新的考虑尾涡效应的二阶矩两相湍流模型,并对水平槽道、旋流突扩室和下行床内的两相流动进行了模拟.对水平槽道和旋流突扩室内稀相两相流动的模拟结果表明：与实验数据对照,新模型比没有考虑颗粒尾涡影响的模型有一定程度的改进,颗粒尾涡效应确实增大了气体湍流;在下行床内的稠密两相流动中,由于两相之间的相互作用比较明显,颗粒尾涡不仅增大了气体脉动,而且也增大了颗粒脉动.     

超声多信号融合表征颗粒两相流实验研究

从颗粒两相流超声波动理论出发,提出多信号融合概念,采用单次和多次反射法同时测量颗粒两相流中高频宽带超声波声阻抗、声速和声衰减谱,获取了颗粒两相流系统中密度、浓度、粒径信息.基于该理论研制了可用于同时测量高浓度颗粒两相流密度、浓度、粒径的装置.高浓度水煤浆颗粒两相流测量结果显示,测量密度、浓度与平均粒径与标准对比较为吻合.     

并联管路气液两相流分流实验与数值模拟

为了研究气液两相流在并联立管中的分流状况,在实验室中建立了带有并联立管的气液两相流流动回路。建立了气液两相流分流数学模型,通过数值模拟方法对气液两相流分流进行研究。实验过程中发现了并联立管中三种不同的流动状态分别为弹状流-弹状流、搅混流-搅混流以及弹状流-搅混流。实验结果表明当并联立管中的流动状态为弹状流-弹状流时,两根立管中的压降相同,但是并联立管中的液塞排出并不具有同步性,可能产生偏流状况。在气液流速较高的搅混流-搅混流时两相流在并联立管中始终处于均匀分配状态。介于两者之间的弹状流-搅混流,并联立管中的压降产生较大的偏差,气液两相流流量更倾向于搅混流一侧流出,此时并联立管中产生严重的偏流状况。数值模拟过程中,通过对并联立管出口持液率进行监测,在较低的气液速下两相流并不能够均匀分配,但是在较高的气液速下,两相流始终处于均匀分配,可见所建立的数学模型具有良好的准确性。