水泥回转窑物料流动与传热特性数值模拟

针对回转窑煤粉燃烧过程中物料运动和传热特性难以仿真分析的问题,将回转窑看作是由高温烟气流域和物料流域组成且相互耦合的计算域。在壁面传热的基础上,利用热传导方程描述不同区域物料经窑壁向外散热的热流密度,并提出一种带传热补偿的物料和高温烟气的换热模型。采用此模型数值模拟回转窑内的煤粉燃烧、物料流动和烧结等,研究不同工况下物料流动和温度分布情况。研究结果表明:所建模型可以较准确地反映物料在回转窑内的传热和运动情况;回转窑转速的升高会增大物料沿轴向运动的加速度;增加回转窑内物料流量会降低物料温度,并加剧物料表层和内部的温度差;物料填充率的增加会扩大外回流区的范围,升高冷却带的温度;当物料填充率达到12%时会引发康达效应,使回转窑火焰在靠近物料区域向物料方向发生偏移。     

炭素回转窑内物料停留时间的确定

在前人建立的等径回转窑内物料料层轴向厚度变化公式基础上,推导出了适合于窑尾扩径和内衬增设翻料装置的变径窑内物料层厚度的计算式;同时利用上述两种窑内料层厚度计算式进一步求出了两种窑内物料停留时间的计算式,计算式中综合考虑了窑内径、窑长、窑头挡料圈高度、窑倾角、窑转速、物料体积流率、物料安息角、物料颗粒粒径等多种因素;为了验证计算公式的正确性,建立了实验装置,进行了冷态实验测试.结果表明,公式计算值与实验测试值比较吻合,误差较小,并且计算中不需要引入修正系数.     

风速条件下回转窑内物料传输的实验研究

回转窑内的物料平均停留时间(MRT)直接决定物料化学反应程度.文中采用回转窑实验台,在不同的固体废弃物料和窑内风速、回转窑转速、回转窑倾角及物性参数下进行实验,获得了物料MRT的变化规律:随着回转窑转速的提高、倾角的增大和窑内风速的增加,MRT减小;物料的物性参数中,休止角对MRT影响较大,休止角大的MRT小,而密度的影响相对较小;随风速增加,刚开始时MRT下降较快,而后风速的影响减弱,最后趋于稳定.文中还建立了风速条件下的物料传输模型,并在一定风速条件下对模型进行了验证,发现与实验数据相比其平均相对误差为7.69%.     

颗粒粒径对回转窑内散体物料休止角的影响规律

为了研究颗粒粒径与回转窑内散体物料休止角的关系,建立回转窑物料运动实验平台。以直径为2~10 mm的玻璃珠为物料样本,测试不同粒径的物料在回转窑中的运动过程。通过数字图像处理法计算物料休止角随时间的响应过程,分析不同粒径条件下散体物料休止角的变化规律。研究结果表明:在回转窑中,无论是单一粒径物料还是多粒径组合物料,休止角的最大值、最小值、均值、极差和周期都会随着颗粒粒径的增大而增大;在多粒径组合物料中,"巴西果效应"使不同粒径的颗粒出现分离,粒径偏大的颗粒运动到物料的外围区域,使得物料休止角的最大值、最小值、均值、极差和周期都增大;在平均粒径相同的多粒径组合物料中,颗粒间的粒径差值越大,休止角的最大值、最小值、均值、极差和周期越大。     

回转窑截面物料运动及力链结构的数值试验

采用离散单元法从颗粒尺度建立回转窑内物料的运动模型,以球形沙粒为例,通过数值计算,研究回转窑截面上物料的运动模式和力链结构。以Froude数、物料填充角、窑壁摩擦因数为变量,模拟物料的滑移、塌落、滚落、泻落、抛落和离心6种运动模式,模拟结果与实验观测结果相符。研究结果表明:回转窑内物料力链由表层弱力链区域(约占料层厚度10%)和底层强力链区域组成;滑移、塌落、滚落和泻落4种模式中,底层强力链结构稳定,颗粒之间相对静止,表层弱力链断裂和重组频繁,具体运动模式由窑转速和表层力链断裂重组的速度决定;实际转速中,泻落模式的物料颗粒碰撞最强烈。     

填充床中细小颗粒渗流行为的DEM模拟

为进一步探索COREX过程固体物料的运动状态,对COREX过程中涉及到的细小颗粒渗流行为进行了DEM模拟。考察不同颗粒直径比、阻尼系数及滑动摩擦系数对细小颗粒渗流行为的影响,特别是计算得到不同模拟参数下细小颗粒在填充床内的运动轨迹。模拟结果显示,渗流过程中细小颗粒的平均渗流速度为一定值。随着颗粒直径比的增加,颗粒竖直方向的渗流速度逐渐减小,停留时间与径向弥散逐渐变大。随着颗粒间阻尼系数的增加,颗粒渗流速度逐渐增加,停留时间逐渐减小,径向弥散逐渐变小。滑动摩擦系数对细小颗粒的渗流行为影响较小。从细小颗粒运动轨迹分析可知,颗粒直径比变大时,细小颗粒易在空隙中缓慢移动,易趋于静止床层中,导致颗粒沉积。随着颗粒间阻尼系数变小,颗粒运动轨迹向填充床边缘发展,偏离床层中心。     

稻草及木屑与煤二元混合颗粒的流化特性

为获得生物质与煤混合颗粒的最小流化速度(Umf)与混合颗粒流化时的分离特性,借助高速摄像仪、压力在线采集系统等对稻草及木屑两种生物质与煤二元混合颗粒的流化特性进行了研究。当生物质掺混比(质量分数)低于5%时,二元混合颗粒的流化性能与煤粉单独流化接近,甚至在一定程度上提高了流化质量;但随着生物质颗粒与煤颗粒的粒径差异增大以及生物质掺混比增大到10%左右,二元混合颗粒流化质量变差,逐渐出现分离和穿孔等现象。随着混合颗粒中生物质掺混比的增大,最小流化速度随之增加。基于实验研究结果,提出了用于预测生物质与煤二元混合颗粒最小流化速度的改进模型。另外研究还表明随着生物质掺混比的增大,混合颗粒离析程度加剧,床层出现不稳定流化现象。     

床料对固废流化床颗粒混合特性的影响

在横截面为200 mm×200 mm、高1 200 mm的方形截面冷态流化床反应器中,对4种异型模拟固体废弃物颗粒在不同床料辅助流化下的分布特性进行了试验研究.结果表明,床料密度对床层内颗粒混合的影响较大,床料密度的增大使固废颗粒的浮升趋势显著增强,单种固废颗粒在床层内的分布特性取决于床料密度与此种颗粒密度的比值ρb/ρp,且对4种固废颗粒考察后发现,当ρb/ρp≈2.4时,床层混合最为理想.床料粒径的增大同样增强了固废颗粒的浮升趋势,但提升幅度相对较小.床料体积分数增大有利于床层内颗粒的稳态混合,为保证固废流化床内良好的流化混合质量,床料体积分数应大于80%.     

物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应

根据回转窑内物料颗粒的运动特点，推导了颗粒团在贴壁运动过程中的非稳态导热系数及界面处的接触传热系数，进而得出了物料与封盖窑壁间的换热系数；结合已有研究成果，建立了回转窑的传热数学模型。计算表明，未考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应时，物料温度偏低；温度越高，强化效应对物料温度的影响越大；考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应，有利于提高回转窑煅烧熟料的质量和热效率。     

直刮板回转滚筒内物料的混合特性

针对颗粒在回转滚筒内混合这一共性问题,建立了颗粒运动的离散元模型及"颗粒接触数"标定法,从混合形态、混合指数、直刮板结构几个方面研究了物料的混合特性。结果表明:颗粒A-A或B-B接触数随时间逐渐减小,变化规律类似于衰减震荡曲线,A-B接触数随时间逐渐增大,变化规律类似于指数函数形式;直刮板增混作用明显,存在最优的刮板高度和数量,在滚筒转速为15 r/min、颗粒粒径为3 mm、填充率为33%条件下,10块高度比为0.6的直刮板对混合促进效果最大,比无刮板时混合速率系数增大约24%。     

滚筒内颗粒混合过程的实验研究

通过自行设计搭建的滚筒实验平台,以玻璃珠为颗粒材料,探究了不同尺寸颗粒的混合/分离过程,并测量不同操作参数下的滚筒功率消耗.实验结果表明:高填充比时颗粒分离现象更明显,呈现典型的小颗粒被大颗粒包围的现象.在低填充比时,对于尺寸接近的颗粒不同转速下的颗粒分离现象不明显.颗粒粒径差距越大,颗粒分离现象越明显.随着滚筒转速和填充比的逐渐增大,功率消耗逐渐增大,而相比之下功率消耗对粒径比的敏感性比较低.     

A Taylor vortex analogy in granular flows

Fluids sheared between concentric rotating cylinders undergo a series of three-dimensional instabilities. Since Taylor's archetypal 1923 study, these have proved pivotal to understanding how fluid flows become unstable and eventually undergo transitions to chaotic or turbulent states. In contrast, predicting the dynamics of granular systems--from nano-sized particles to debris flows--is far less reliable. Under shear these materials resemble fluids, but solid-like responses, non-equilibrium structures and segregation patterns develop unexpectedly. As a result, the analysis of geophysical events and the performance of largely empirical particle technologies might suffer. Here, using gas fluidization to overcome jamming, we show experimentally that granular materials develop vortices consistent with the primary Taylor instability in fluids. However, the vortices observed in our fluidized granular bed are unlike those in fluids in that they are accompanied by novel mixing-segregation transitions. The vortices seem to alleviate increased strain by spawning new vortices, directly modifying the scale of kinetic interactions. Our observations provide insights into the mechanisms of shear transmission by particles and their consequent convective mixing.     

级配对矿质颗粒体离析的影响研究及应用

 为取得不易离析的路面颗粒材料,开展了级配对矿质颗粒体离析的影响研究。首先通过实验研究,确定反映路面颗粒材料离析的试验方法;然后应用级配设计理论,设计不同级配参数的矿质颗粒体,根据各颗粒体离析试验结果,采用级配设计参数与表征颗粒体粒径分布的平均粒径与粒径分散系数,分析颗粒体级配与其离析程度的关系。研究发现,最大粒径相同的颗粒体,平均粒径和粒径分散系数存在离析程度最小的临界值,超出此临界值的颗粒体离析程度变大;临界值对应的级配为次级粒径颗粒填充上级粒径颗粒空隙时,留下适当空间的级配;且平均粒径和粒径分散系数存在良好对应关系,粒径分散系数随平均粒径的增大而减小。另外,对比分析了矿质颗粒体离析试验与沥青混合料施工离析的对应关系。     

固井用油井水泥颗粒干混特性的数值模拟

在固井作业中,湿混方式混合时间长、原料浪费严重、环境污染大,因此气力干混技术日益得到重视。为探究干混时油井水泥与外掺料混合均匀程度的变化规律,确定最佳操作条件,利用FLUENT软件,采用欧拉-欧拉多相流模型对混拌罐内油井水泥颗粒和外掺料颗粒的混合过程进行数值模拟,分析了进气速度、进气口数量、物料装填顺序以及颗粒物性等因素对混合情况的影响。结果表明：气流速度较低时油井水泥与外掺料混合不均匀,气流速度过高则会出现颗粒局部集中;对本算例而言,气流为1 m/s时可获得较好的混合效果;增加进气口数量不能明显改善颗粒混合的均匀程度;初始装填时,密度最大的颗粒不应置于最底层;颗粒密度对混合情况有较大影响,而粒径的影响较小。     

基于离散元理论的自然崩落法放矿细颗粒渗移过程研究

为探讨自然崩落法放矿过程中废石细颗粒的渗移规律及诱因,利用离散元软件EDEM分别从粗细颗粒数量比、直径比及矿岩含水率三个方面对细颗粒的渗移过程进行模拟,并设置标志颗粒对不同区域的相邻粗细颗粒进行跟踪。研究结果表明：放矿提前贫化率随粗细颗粒数量比的增大不断降低;废石细颗粒渗移速率随粗细颗粒直径比的增大而增大,且受含水率影响显著;相邻位置的细颗粒的渗移速度大于粗颗粒的下降速度。研究结果为进一步探讨矿石损失贫化、确定采场结构参数及优化放矿管理制度提供理论支持。     

滚筒干燥器中杆状颗粒混合特性的三维数值模拟

为研究杆状颗粒在滚筒干燥器中的混合运动,建立了杆状颗粒运动特性的三维数值实验平台.采用离散元法直接跟踪滚筒中的每一个颗粒,对杆状颗粒在滚筒干燥器中碰撞、摩擦的混合运动过程进行数值模拟,并把杆状颗粒和球形颗粒在滚筒中的混合特性进行对比.结果表明:随着转速的增加,颗粒混合均匀的速度加快;滚筒内杆状颗粒和球形颗粒均在近壁区域混合程度好;杆状颗粒混合达到均匀的速度较球形颗粒快;杆状颗粒整体混合均匀程度优于球形颗粒.模拟结果还表明,杆状颗粒的混合特性与球状颗粒的混合特性存在很大区别,在以往数值模拟中将杆状颗粒假设成球形颗粒存在较大误差,对杆状颗粒所建立的模型能更好地符合杆状颗粒的运动规律.     

数值模拟分解炉气流紊动特性及对颗粒运动的影响

为了系统分析分解炉内窑尾烟气与三次风的掺混流态及影响煤粉、料粉颗粒运动的规律,利用紊流模型与粒子追踪模型的数值模拟方法,研究了分解炉气流紊流强度、涡量及螺旋度的沿程分布规律及颗粒的运动规律,研究表明:①窑尾烟气与三次风的耦合作用,导致掺混区的气流流态表现出强紊动特性;②紊动区内颗粒发生强烈地脉动现象;③窑尾烟气与三次风的掺混作用、边壁条件的变化均能激发颗粒的绕轴旋转特性;④煤粉与料粉颗粒在分解炉内进行"螺旋式"上升或下降运动。     

DEM/CFD modelling of the deposition of dilute granular systems in a vertical container

Deposition of granular materials into a container is a general industrial packing process. In this study, the deposition behaviour of dilute granular mixtures consisting of two types of particles that were of the same particle size but different particle densities in the presence of air was numerically analyzed using a coupled discrete element method （DEM） and computational fluid dynamics （CFD）. Bilayer granular mixtures with light particles at bottom and heavy particles at top were first simulated. It was found that the presence of air significantly affected the flow behaviour of the bilayer mixtures. For the system with a relatively low initial void fraction, the air entrapped inside the container escaped through the dilated zones induced due to the friction between the powder bed and wall surfaces. The escaping air streams entrained light particles that were originally located at the bottom of the granular system. Consequently, these light particles were migrated to the top of the granular bed at the end of deposition process. More light particles were migrated when the deposition distance was increased. For the system with a high initial void fraction, some light particles penetrated into the top layer of heavy particles and created a mixing zone. Deposition of random mixtures with different initial void fractions was also investigated and the influence of initial void fraction on the segregation behaviour was explored as well. It was found that the increase of void fraction promoted segregation during the deposition in air. It was demonstrated that, for granular mixtures consisting of particles of different air sensitivities, the presence of air had a significant impact on the mixing and segregation behaviour during the deposition.     

多障碍建筑群图像空间布局智能寻优方法优化

为了解决传统方法大多将注意力放在建筑群体局部优化方面,缺少对整个含多障碍建筑群体空间布局优化研究的问题。通过改进粒子群法研究多障碍建筑群图像空间布局智能寻优方法优化问题。建立寻优问题模型,将最小化最大风速比、最大化采光满足率、最优化容积率作为多障碍建筑群图像空间布局智能寻优目标,依据寻优问题模型建立总目标函数。针对粒子群算法的弊端,对其进行改进;将粒子和种群最优粒子差异程度当成依据对权重进行确定。通过密集距离对粒子和相邻粒子间的密集程度进行描述,依据密集程度,选用逐一去除法对最优解进行更新。针对提出的多障碍建筑群图像空间布局多目标寻优问题,采用改进粒子群算法进行求解。结果表明:采用所提方法优化后,日照满足率虽然略低于优化前;但最大加速比和容积率均更优;所提方法 WBGT指标(湿球黑球温度)高于其他方法。可见所提方法可令各指标均衡最优化,能够保证新陈代谢率低,热适应差的人舒适性。