湿法烟气双入口脱硫喷淋塔内烟气流场的数值模拟

本文阐述了以300MW机组为例,利用Fluent软件对单入口、双入口喷淋塔内烟气流程分别进行了三维数值模拟。结果发现双入口喷淋塔内烟气流场更加均匀,脱硫效率高,有效降低低温腐蚀有利于喷淋塔的长期稳定运行。模拟结果对喷淋塔的现场运行及结构优化设计具有一定的指导作用。     

卧式喷淋塔烟气脱硫的数值模拟

卧式喷淋塔技术是北京科技大学环境中心开发的一种新型烟气脱硫系统工艺,在某些方面克服了立式喷淋塔的缺点,具有脱硫效率高、压力损失小、运行成本低、易检修等特点.但在实际工程中仍然需要进一步的改进.为了研究不同喷淋的布置格局对卧式喷淋塔的内部流场的影响,构建了卧式喷淋塔物理模型,采用Icem软件划分网格,利用Fluent软件数值模拟计算.模拟中选择k-ε湍流模型及随机轨道模型,数值模拟计算采用SIMPLE算法.模拟结果表明:双层喷淋设置时喷雾锥角为90°,上部喷淋高度为距顶部0.9 m,下部喷淋高度为距顶部2.4 m,喷淋层间距为1.5 m时,有效的减少脱硫塔压力损失,降低能耗,塔内吸收区烟气流动的速度均匀,增大了气液接触的频率.烟气的温度适宜于气液反应.总体上提高了烟气的脱硫效率,为实际工程的设计和应用提供指导.     

双面对切进口结构的湿法烟气脱硫喷淋塔内流场的数值模拟和实验研究

烟气脱硫喷淋塔一般直径大高度低,处理的烟气量很大,气体进入塔内的几何结构一定程度上影响着塔内流场的分布,从而对SO2的有效吸收及运行性能产生至关重要的影响。常规情况下,烟气从单侧进口以自由射流方式进入喷淋塔,在进口处容易形成回流区、死滞区、涡流区。湿法烟气脱硫系统中的喷淋塔进口结构设计为双面对切进口。通过数值模拟和实验测试相结合的方法,研究了双面对切进口对塔内流场分布的影响。结果表明,采用双面对切进口结构,可以使喷淋塔得到近似于活塞流的均匀流场,从而使烟气均匀一致地通过脱硫喷淋塔,提高了脱硫效率。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。     

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。     

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.     

入口位置对喷淋塔流场影响的数值模拟

利用FLUENT软件对三种不同入口位置的喷淋塔的内部两相流场进行了三维数值模拟.在计算中气相采用标准k-ε模型计算,SIMPLE算法.重点研究了不同入口位置的喷淋塔内的流场及压力的分布情况.计算结果表明,对同一喷淋塔,入口位置不同对塔内流场有很大的影响.此结果对喷淋塔的设计及其改进具有一定的参考价值.     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论,考虑了液固两相间的相互作用,给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程,利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究,并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明,水与磨料颗粒之间存在速度滑移,在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动,颗粒速度逐渐趋向水的速度;进入喷嘴收缩段后,水与磨料颗粒同时得到加速,但由于惯性力的作用,达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长;进入直柱段后,液相速度继续增加至最大速度,此后缓慢降低,而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速,液固两相的速度差逐渐减小,直至从喷嘴喷出;喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形,在喷嘴截面中心处速度最大,沿径向逐渐减小,离壁面越近,速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现,模拟所得的结果是正确的。     

油气分离器内油滴轨迹的数值模拟

采用数值模拟的方法研究分离器内油滴的运动。单相流场采用各向异性的雷诺应力方程模型，气液两相流场采用相间耦合的DPM模型计算，用随机轨道模型对油滴的运动轨迹进行追踪。通过对油滴轨迹的分析，揭示了油滴在分离器中运动的物理机制。结果表明：油滴的轨迹受叶片数量、叶轮转速和油滴粒径的影响很大。     

喷粉透气砖狭缝内气--固两相流动数值模拟

狭缝型喷粉透气砖是铁水底喷粉脱硫预处理工艺重要功能性元件,对底喷粉脱硫工艺的顺利实施影响重大.结合实际应用情况,基于欧拉-欧拉双流体和颗粒动力学理论,对喷粉透气砖狭缝内气-固两相流进行了三维数值模拟,得到狭缝内的流场、压力场和颗粒相体积分数场分布.喷粉透气砖狭缝内颗粒相体积分数非均匀段长度一般为250 mm,加速段长度一般小于250 mm,在颗粒直径为20μm时单缝内的压降最大,为2350 Pa.工业试验结果表明,底喷粉工艺脱硫效率比同类型顶喷粉工艺提高15%以上.     

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。     

石灰浆液荷电喷雾脱硫流场的数值模拟

为了获得脱硫塔内荷电石灰浆液脱硫率的理论计算方法,开展了荷电气液两相流场的数值模拟.通过试验用脱硫塔内部荷电喷雾脱硫特点的分析,建立了几何模型、静电场模型和两相流模型,通过商用Fluent6.3计算功能的扩展,获得环状电极静电场分布,进而实现感应静电场与两相流场的耦合计算,分析了浆液荷电条件下的两相流场特性及其对脱硫效果的影响.结果表明:电场强度分布基本对称于脱硫塔轴线,随着与电极距离的增加场强衰减迅速;浆液滴荷电使射流区外侧卷吸区域加大,浆液滴速度下降,电极附近射流影响区域变短,有利于加强两相接触和SO2吸收,同向并流的荷电脱硫增益更明显.     

泵外防气装置沉降部分数值模拟

部分油田在深井泵开采期采用注气驱油,油井的油气比较高。减少高含气抽油井中气体对泵工作影响的有效措施是在泵的入口处安装气锚(泵下防气装置和泵外防气装置),使油流中的自由气在进泵之前分离出来,通过油套环形空间排到地面。针对井下气锚分气机理及分气效率进行了探讨性研究,采用计算流体动力学软件FLUENT,对泵外防气装置沉降部分的气液两相流动进行数值模拟,研究了气锚的长度、油气比对分离效率的影响,并优化出分离效果最佳的沉降段长度。     

复杂血管内两相流数值模拟

为了更全面的了解复杂血管内部流动状况,采用液固两相流模型和脉动速度入口条件,对分叉弯曲复杂血管内部两相流动进行模拟分析。通过对其压力、速度、流线、壁面剪切应力、红细胞体积浓度分布等流动参数分析,发现在血管弯曲和分叉区域,血液流动复杂,容易产生低速回流区或二次回流,而且剪切应力较低,红细胞体积浓度较高。     

基于数值模拟的气液相界面积计算方法

相界面积对气液两相流中传热、传质、物理化学反应等动力学过程影响重大。为获取这一参数,提出一种根据两相流数值模拟结果计算相界面积的方法。此方法借鉴分段线性重构界面的思想,在各网格单元内以平面近似真实相界曲面,根据目标流体的体积分数及其梯度向量将网格内相界面形貌归为五类,进而采用不同的方法分别计算各类相界面的面积。在铜转炉熔池内两相流数值模拟结果分析中的应用效果表明：该方法能有效提取两相流体系中任意区域的相界面积,从而为体系动力学特征的定量分析提供依据。利用相界面积数据,进一步计算了氧气利用率并识别出熔池内“高效反应区”,计算和识别结果与工程实际吻合,证实了该方法的准确性。     

人工环境室内湿度场的数值模拟和优化

采用FLUENT离散相模型对环境室内水滴的蒸发过程仿真模拟.研究了喷入液滴直径、送风速度和送风温度对环境室内流场、湿度场的影响.计算结果表明:喷入液滴直径越小、送风温度越低时,湿度场的均匀性越好;增大送风速度,湿度场能更快达到稳定.综合考虑经济性和湿度场均匀性,对于该计算模型,在送风温度为320 K、送风速度为18 m/s时得到最优的液滴直径为10μm;在送风温度为320 K、液滴直径为2μm时得到最优送风速度为18 m/s.     

煤粉燃烧两相流的数值模拟

由于煤粉燃烧受热面区域的气固两相流场测量难度大,为预测煤粉燃烧炉内部流场与两相流浓度场分布规律,以FLUENT为平台,建立了煤粉燃烧炉模型,用PDF来定义燃料成分,气相湍流流动采用标准的k-ε方程模型,气相为无滑移边界条件。颗粒相采用随机轨道模型。利用有限差分法来离散微分方程,对控制方程的求解采用SIMPLE算法。得到了燃烧炉内部温度场,煤液化率的分布规律及煤粉的颗粒轨迹。揭示了挥发分释放与燃烧的过程,剖析了焦炭的燃烧机理,为煤粉在分解炉内的优化燃烧提供了重要的理论参考依据。模拟结果有助于煤粉炉改造和节能。     

气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于LevelSet函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee TVD格式和5阶WENO格式求解LevelSet函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解LevelSet的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.     

近海风力机的两相流数值模拟

以风力机常用翼型NRELS809为研究对象,建立了水平轴风力机的整体模型。根据海上风力机高湿度环境特点,采用空气和水蒸汽及空气和水的两相流模型模拟海上工况,对模型进行数值计算,得到叶片绕流的速度分布和压力分布,并对比了两相流和单相流的变化。结果表明：气流流过叶片后均存在速度亏损,并在1倍风轮半径后趋于稳定。风轮叶片在两相流工况下能得到较高的功率系数,对叶片的强度要求、材料要求较高。