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.     

浓相气固流化床悬浮体黏度的计算模型

利用浓相气固流化床模型进行模拟实验,研究浓相气固流化床悬浮液黏度的影响因素以及变化规律,并在实验的过程中采用NDJ-1旋转黏度计较精确地测定不同实验条件下的流化床悬浮液黏度。同时,根据刚性颗粒悬浮液黏度的假设原理结合浓相气固流化床的特性,从理论上推导适合浓相气固流化床悬浮液的黏度计算模型。最后,通过DPS数据处理软件对数据进行拟合与分析。结果表明:模型的计算值能够很好地吻合测量值,其决定系数R2可达至0.99,这对于浓相气固流化床悬浮体黏度的测定具有重要的指导意义。     

工业聚乙烯流化床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,对工业级聚乙烯流化床内的气固流动特性进行了冷态模拟,并利用Matlab的图像处理功能将图像的像素点与模拟网格进行对应来计算流化床内的气泡大小。从流化床流动结构、颗粒、气泡3个角度,研究了不同气速、不同初始物料量对工业级聚乙烯流化床的气固流动特性的影响。结果表明：从颗粒的轴径向分布情况可以看出,工业流化床内部的边壁效应明显较弱,密相区整体呈现较为均匀的颗粒分布;气速对于流化床气固流动的影响较大,当气速为0.46 m/s时,流化床内密相区的颗粒分布最为均匀,整体的流动较好;初始床层高度主要影响流化后密相区的高度,对于床层膨胀率的影响较小。     

多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积

对我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化炉内的气固两相流进行了数值模拟分析.在合理简化和假设基础上建立了基于Eulerian-Lagrangian模拟方法的炉内气固两相流动模型,采用Realizable k-ε模型描述炉内复杂气相湍流运动,应用颗粒轨道模型随机追踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动.通过数值计算获得了炉内气固两相的速度矢量、颗粒分布、颗粒运动轨迹,以及颗粒碰撞并沉积于壁面的通量分布.揭示了该型气流床煤气化炉内气固两相流动特征,并分析了入口速度和炉体上部高度对气固两相流动和颗粒在壁面沉积的影响规律.结果表明:对撞流显著增强炉内气固流动湍动,强化气固相互作用,并使煤粉颗粒在炉内有效分散,有利于化学反应高效进行;在喷嘴入口及顶部的壁面处颗粒沉积率较大.     

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。     

磁铁矿粉在气固分选流化床中的塌落行为研究

在外径为180 mm的气固分选流化床中用高速动态摄像仪对磁铁矿粉的床层塌落行为进行观察,绘出其塌落曲线,引入塌落速度Uc,床层膨胀率RBE和标准塌落时间TSC 3个参数来表征塌落过程。实验结果表明:磁铁矿粉呈现出类似B类颗粒塌落特征,没有明显的受阻沉降阶段和浓相压缩阶段,并且细颗粒的滞气能力明显好于粗颗粒的滞气能力,为拓宽气固流化床干法选煤加重质的粒度范围提供参考。通过对塌落机制的分析,提出气固流化床床层塌落速度计算模型Uc=(U-Umf)4Hf/(Hf+Hs),其计算值与实际的测量值吻合较好。     

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。     

流化床内氮氧化物生成的模拟研究

采用国际上热点研究的颗粒碰撞离散单元法,并同时结合大涡模拟方法对鼓泡流化床内的气固两相流动进行了模拟,在此基础上重点研究和分析了流化床内的氮氧化物的生成机理,并对其进行了模拟研究．     

用于钙循环CO2捕集的串行流化床气固流动特性实验与模拟研究

为进一步开发适用于钙循环捕集CO2过程的双流化床反应器,采用实验测试和数值模拟方法对新搭建串行流化床的气固流动特性进行研究.首先通过冷态实验对床层压降以及颗粒循环速率等气固流动特性进行测量,然后,使用Fluent软件对床内的气固流动过程进行CFD数值模拟.研究结果表明:煅烧反应器入口风速、上下流动密封阀入口风速、床料量...     

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.     

模拟气固流化系统的数值方法

针对气固两相流动的基本特征,采用流体连续、颗粒离散的处理方法,把受流体作用的颗粒运动过程分解为受颗粒冲力支配的碰撞运动及受流体曳力控制的悬浮运动,从而建立了模拟气固流化系统的数值方法．该方法能够真实地模拟气固流化床中的基本流动结构 鼓泡形成、多气泡行为、节涌现象及团聚物的动态变化．研究结果表明：与模拟气固流化系统已有的数值方法相比,本文的数值方法具有模拟真实、通用性强的优点．     

生物质流化床快速热解多流体模拟的研究进展

多流体模型广泛用于生物质流化床快速热解过程的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟。本文总结了常用模型对模拟结果的影响规律:热解动力学模型影响模拟结果中热解产物的分布,所预测热解产物产率的准确性随着热解模型精确程度的增加而提高;气-固曳力模型不仅影响热解产物分布,并影响着生物质/炭颗粒的夹带行为,采用考虑介尺度结构的气-固曳力模型能获得与实验更加吻合的模拟结果;在多流体模拟中往往采用简化的颗粒内传热模型描述颗粒内的传热效应,但在不同报道中该模型对模拟结果的影响存在显著差异;颗粒缩径模型可预测反应器内生物质颗粒的粒径分布,主要影响生物质颗粒的流动行为。并结合团队的研究经历,对模型的选用及未来研究方向提出了观点和建议。     

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.     

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%.     

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。     

基于颗粒尺度DEM直接数值模拟的喷动流化床颗粒运动特性

采用离散元方法,对喷动流化床内的气固流动进行了三维直接数值模拟.气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型;气固耦合采用双向耦合.模拟中跟踪了每个颗粒的运动,获得了颗粒轴向速度、平均速度、颗粒浓度和颗粒平均碰撞频率随操作参数的变化规律.结果表明喷动气速度、流化气速度、颗粒平均速度、颗粒浓度和颗粒平均碰撞频率存在关联性:喷动气速度增加,颗粒在喷射区和环形密相区的平均速度增加,浓度减小,平均碰撞频率减小;流化气速度增加,颗粒速度、浓度和碰撞频率与喷动气速度增加具有相同的变化规律,但环形密相区的变化更为明显.     

固体颗粒对三相气升式环流反应器流动特性的影响

将液相视为连续相,气相和固相视为分散相,同时考虑各相之间的相互作用,结合气液固三相流体的动力学理论,建立气液固三相环流反应器三流体湍流流动的Eulerian模型.采用计算模拟软件Fluent对三相环流反应器的流动状况进行模拟,考察表观气速、固含率、颗粒大小对反应器的气含率以及液体流动速度的影响.模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的三相流体行为,模型与实验结果较好地吻合,表明了模型的可行性.     

高压下不同载气多原料超浓相气力输送机理及流动特性研究

为了获得高压浓相气力输送过程中不同粉体的输送机理及流动特性,对发料罐内的流动特性、不同粉体的输送特性及含水率对流动稳定性的影响规律进行实验研究并进行数值模拟。引用先进的阵列式静电传感器对粉体流动过程的特征参数进行监测。结果如下:采用光纤颗粒浓度探针获得了常压上出料式发送罐内提升管入口附近区域颗粒浓度分布,揭示了提升管入口附近区域气固流动结构的变化规律。在高压超浓相条件下进行了不同含碳原料的气力输送实验研究,获得了褐煤、无烟煤以及石油焦的输送规律,发现了石油焦输送过程中的结壳问题并提出了解决方法;通过褐煤中不同赋存形态的水分进行分类研究,获得了不同褐煤气力输送临界水分含量。对工业规模级竖直上升管压降进行了研究,并对粉煤密相气力输送管路流型及其压力信号特征分析,揭示了粉煤流动稳定性以及流型变化特性。对基于颗粒动理学理论的双流体模型进行了修正,建立了描述常压上出料式发送罐内气固流动的数学模型,获得了提升管入口附近区域颗粒浓度和速度分布规律。基于双流体Euler-Euler方法,将k-ε-kp-εp湍流模型与颗粒动理学理论相结合,对高压超浓相粉体气力输送的气固两相流的全面力学分析,通过对气固两相流的动力学参数的瞬态分布特征的理论分析,对原有数理模型进一步的改进和完善后,利用此模型对高压超浓相输送系统中水平管、弯管和垂直管建立了完善的一体化管道并进行模拟计算。开发了基于阵列式静电传感器的多路相关速度测量系统,实现了颗粒局部平均速度的测量,并将其应用于高压浓相煤粉气力输送的过程监测中,为提高气力输送效率和输送稳定性提供参考依据。     

异质柱形颗粒与球形颗粒混合流动特性的CFD-DEM数值模拟分析

针对成型生物质颗粒与流化介质在气固流化床中的混合流动过程,采用数值模拟对该过程进行描述和分析。应用Fortran语言编程,构建复杂组分的三维气固两相流模型,在介观尺度下对流化床中异质异形颗粒的混合流动模拟问题进行研究。在欧拉和拉格朗日框架下,分别采用不同方法构造柱形颗粒:在CFD模型中,采用虚拟小球法描述柱形颗粒,引入体积分数改进曳力系数公式;在DEM部分,采用球元叠加法构造柱形颗粒,引入软球模型计算颗粒间的碰撞力。基于上述方法,模拟表观气速分别为1.0 m/s和2.0 m/s时的柱形生物质与石英砂混合流动的物理过程,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:该方法能较好地模拟在鼓泡床状态下异质柱形颗粒与球形颗粒混合流动的过程。     

CuO/Al2O3作为载氧剂的流化床化学链燃烧数值模拟

以欧拉-欧拉双流体模型和气固非均相化学反应动力学为基础,嵌入了气固化学反应速率方程和反应内热源项的UDF(自定义函数)程序,对化学链燃烧燃料反应器——鼓泡流化床内气固两相流动及化学反应过程进行了数值模拟,并分析了甲烷进气速度对床内气固两相流动、传热及化学反应速率的影响.结果表明:随着甲烷进气速度增加,床内气固混合更加剧烈,气泡的产生、碰撞和破碎使得气固分布不均,流化质量下降,导致反应器内化学反应速率以及温度分布不均,床内局部存在的高温区域将使颗粒温度过高而烧结,降低了甲烷燃烧效率.