典型烟气余热换热器气侧积灰特性

针对工业烟气中含尘量大,容易造成烟气换热器表面积灰的问题,对比研究了两种典型烟气余热换热器气侧的积灰特性.首先对比了两种翅片管换热器的流动特性,并结合离散相模型(DPM)模拟了飞灰颗粒的运动、碰撞和沉积过程;其次,针对模拟时间步长相对于实际时间较短的问题,提出了通过时间放大因子将数值模拟结果与时间换算到实际时间尺度的方法;然后,具体研究了实际时间尺度下两种H型翅片管表面的积灰特性,分析了入口速度和颗粒粒径的影响.结果显示,飞灰颗粒主要沉积于H型翅片管前侧的流动滞止区和管后的尾涡区;双H翅片管的积灰特性稍优于单H型翅片管;渐进污垢热阻随着入口速度和颗粒粒径的增大而迅速减小.     

中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀的研究

工业烟气具有含灰量大、含黏性物质及含腐蚀性气体多的特点,易造成烟气换热器换热表面积灰、磨损和腐蚀等一系列严重问题,是余热回收领域目前亟待解决的研究课题.本文对中低温余热回收所用的管排式烟气换热器的积灰、磨损及腐蚀特性等方面的研究进行了总结和回顾,分析了换热器换热表面积灰、磨损及腐蚀的形成原因及影响因素,同时介绍了近年来作者团队在换热表面飞灰颗粒沉积、磨损及腐蚀特性方面开展的有关研究结果.首先,对现有的和前期作者团队建立的颗粒碰撞沉积模型进行了简要回顾,并以前期团队开展的工作为例,具体介绍了管排式烟气换热器的积灰特性及其影响因素,并给出了能有效减轻积灰的椭圆管换热器设计;接着,介绍了气固两相绕流换热管的流动和磨损特性,以及烟气参数对磨损特性的影响规律;随后,介绍了一种预测换热器表面酸蒸气凝结的耦合计算方法,说明了运行参数和几何参数对换热器局部腐蚀特性的影响规律,并给出了相应条件下的H型翅片管换热器的酸传质计算关联式;同时,介绍了团队前期提出的在线检测和实验室低温腐蚀装置,说明了不同材料的抗腐蚀特性及换热面积灰与酸的耦合作用机理.最后,对中低温烟气换热器积灰、磨损及腐蚀特性的研究前景进行了展望.     

金属液体射流变形的光滑粒子流体动力学模拟

采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)模拟液体射流与刚性表面的碰撞, 建立了半径为0.24 cm, 高为0.75 cm的圆柱形铝液滴以100 m/s的速度与刚性表面发生碰撞的SPH计算模型. 在计算中借助Voronoi多边形分配粒子的初始质量, 并考虑了大变形过程中随着粒子相互间距离的变化而采用可变光滑半径. 根据计算结果分析了碰撞过程中圆柱形液滴沿轴向的压力波形演化特征, 并给出了不同时刻金属液体射流的变形情况. 通过粒子速度随时间的变化曲线, 观察到液体在碰撞后首先进入一个稳定流动的过程, 此稳定流动的过程相对较短, 随后流动开始发生混乱.     

塔克拉玛干柽柳的根对多风环境的适应

采用全根挖掘的方法对塔克拉玛干沙漠腹地的成年塔克拉玛干柽柳根系分布的范围、垂直深度和特征分别进行了测量和研究.塔克拉玛干柽柳浅层侧根根系的形态分布与沙漠腹地的主导风向有着密切的关系;同时,垂直根分布深度受地下水水位的抑制.植株迎风面根系重量和长度的分布远远小于背风面.与此同时,柽柳背风面根径厚度相对于迎风面有明显增加.因此,塔克拉玛干柽柳对沙漠腹地多风生境的适应性响应是通过增加其背风面根系的分布和根径的厚度来实现的.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.     

基于细观结构的颗粒介质应力应变关系研究

用DEM数值计算了一个颗粒介质的双轴压缩试验, 分析了颗粒介质在等向压缩与剪切过程中颗粒细观结构的变化规律, 推导出一个基于颗粒细观结构变化的颗粒介质屈服函数, 其形式与修正剑桥模型的屈服面相似. 利用该屈服面方程, 可以通过颗粒接点数按接触角整理的分布变化说明在压缩和剪切过程中颗粒介质的屈服特性, 为从颗粒细观结构的变化规律进一步研究颗粒介质的应力-应变特性提供了一个可行的方法.     

异形混合非球形颗粒在移动床中流动特性的数值模拟

采用多元颗粒模型构建了3种非球形颗粒即玉米形颗粒、圆柱形颗粒和椭球形颗粒.分析了异形混合非球形颗粒的碰撞机理及典型碰撞形式,建立了混合非球形颗粒的运动方程,模拟了混合非球形颗粒在移动床中的流动情况,并通过实验验证了模型的可靠性.同时探讨了异形混合非球形颗粒在移动床中的下料率、流型、概率分布特性、空隙率分布等流动特性.结果表明,混合非球形颗粒的下料率和单一均质非球形颗粒的下料率基本相同,而球形均质颗粒的下料率较球形非球形混合颗粒的下料率大;混合非球形颗粒的MFI值(即移动床边壁处与中心处的颗粒速度的比值)和相应的均质颗粒的MFI值较为接近;球形及球形非球形混合颗粒的概率密度分布一般只有1个峰值,而非球形颗粒及非球形混合颗粒的概率密度分布均有2个峰值;3种异形混合颗粒的壁面效应和平均空隙率几乎相同.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

一个多层的早期成岩作用模型

早期成岩作用指的是沉积物在沉积至浅埋藏过程中在沉积颗粒、孔隙水及沉积环境水介质之间发生的一系列物理、化学及生物学作用.早期成岩作用可以在沉积物中形成地球化学层序带,自上而下可依次出现氧化带(OX带)、硫化物还原带(SR带)和甲烷带(ME带)等. 对这些带的部分作用机理的认识已日趋深入,并进而出现了较为成功的早期成岩作用方面的模型.这些模型多以底层水的有机质、溶解氧和硫酸根的浓度,沉积物的孔隙率、沉积速率,以及溶质的扩散系数及有机质的反应速率(后两者可为孔隙水温度的函数)等为已知参数,计算出有机质、溶解氧和硫酸根的浓度在沉积物中随深度的分布,从而区分出氧化带和硫化物还原带.但是,现有的模型只能用来计算一次性的沉积事件,即只能用来计算一个沉积层;而对于有多次性的沉积事件发生,从而形成多个沉积层,并且这些沉积层之间相互存在影响的情形,现有的模型无法应用.而多层沉积的情况在实际中又是经常发生的.因此,本文在现有的单层早期成岩作用模型的基础上,发展出了一个多层的早期成岩作用模型,尝试解决这一问题.     

一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

颗粒流体系统的宏观拟颗粒模拟

拟颗粒模拟（pseudo-particle modeling,PPM）是一种粒子方法（PM）,提出于1996年,虽然它很适合微观颗粒流体系统的模拟,但在实际系统中的应用却受到计算量的严重限制。结合加权平衡和有限差分等手段将粒子间作用提升到符合Navier-Stokes(N-S）方程的流体微元尺度,进一步提出了宏观拟颗粒模拟（MaPPM）,应用此模型,模拟了一维Poiseuille流,并通过与另一相关PM－－光滑粒了流体力学（SPH）的定量比较,说明了其优越的精度与计算效率,在单颗粒绕流、双颗粒沉降和多颗粒流化的模拟中也获得了合理的曳力系（CD）和原PPM未能获得的细胞的瞬时流场,并显示了良好的收敛性和稳定性。     

具有毛细出口的竖直玻璃管中的颗粒物质卸料过程

在一个下端具有毛细出口, 顶端为开口的竖直玻璃管中, 当颗粒堆积高度远高于某个阀值时, 颗粒出口流量呈现相当大的波动, 并且管中瓶颈以上的整体颗粒流动为走走停停波; 而当堆积高度降低到接近这个阀值时, 经过一个过渡阶段, 颗粒出口流量逐渐变缓和, 并且管中的颗粒流动也变平稳. 测量了颗粒上表面的下滑速度变化, 并且提出一个考虑颗粒压实和间隙流体效应的理论来解释这种走走停停波的出现和消失过程.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

颗粒流体两相流动的随机分析

研究揭示颗粒流体两相流动随机特征的方法,通过对流体中影响颗粒运动的各种复杂作用进行分类处理,提出了一种的离散颗粒随机模拟方法,初步的模拟计算获得了与实验测量一致的颗粒时均速度、脉动速度、局部平均粒径和浓度等总体宏观设计特征,以及经过空间某一位置的颗粒速度、粒径随时间的动态变化行为和颗粒流动的不均匀空间分布结构特征等丰富的信息。     

气液两相系统非平衡相变过程的定压比热研究

以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例, 应用两相流及热物理理论, 推导了有相变的两相流系统非平衡过程的定压比热计算式, 并应用相应的数值模型进行计算, 同时与平衡相变过程的结果进行了比较. 计算结果表明, 在蒸发过程中, 初始的流场温度越高, 颗粒半径越小, 质量分数越大, 定压比热变化得越快. 比较平衡过程的定压比热, 在每一时刻, 平衡过程的值要高于非平衡过程.     

汽液两相系统非平衡相变过程的定压比热研究

以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的定压比热计算式,并应用相应的数值模型进行计算,同时与平衡相变过程的结果进行了比较.计算结果表明,在蒸发过程中,初始的流场温度越高,颗粒半径越小,质量分数越大,定压比热变化得越快.比较平衡过程的定压比热,在每一时刻,平衡过程的值要高于非平衡过程.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

深水天然气水合物及其管道输送技术

深水天然气水合物是具有广阔应用前景的非常规天然气资源.开采出的深水天然气水合物通过管道输送是实现水合物资源开发、利用的关键环节.输送过程中,管道内的压力、温度会不断发生变化,使得管道内出现伴随水合物生长或分解的复杂气液固三相流动.本文介绍了天然气水合物资源分布情况和开采方式,综述了近年来天然气水合物生长、分解动力学和含水合物颗粒的气液固多相流动方面的研究进展,分析了深水天然气水合物输送管道的安全性.指出未来在深水水合物输送方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下三个方面的研究内容:第一是考虑管流作用下天然气、水、水合物三相界面之间的传热传质特点,以及气液流速、流型对传热传质的影响,建立多组分气体水合物生长、分解动力学模型;第二是综合考虑水合物颗粒的微观受力和流体对固相的携带能力,分析水合物颗粒的聚集特征、流动特性以及在管道中的沉积规律;第三是考虑水合物颗粒的生长、分解与管道内流速、流型和压降之间的耦合作用,建立伴随水合物颗粒生长、分解、聚集、沉积的气液固多相管输模型,定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑.