提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟
考虑颗粒旋转的颗粒动力学模拟提升管气固两相流动特性
动特性。计算结果表 明提升管 内中心 区域为低浓度． 的颗粒 上升流 动、壁 面区域 为高浓度 ． 的颗粒下降流动 高速 低速 分析了颗粒粗糙度系数对颗粒相能量耗散、颗粒平动温度和黏度的影响。随着颗粒 粗糙度 系数的增加，颗粒碰撞能量 耗散先逐渐增加后减小。颗粒平动温度和黏度的变化趋势是相反的，表明颗 粒旋 转产生摩 擦将 导致颗 粒旋转脉动能量
文章编号 ：１０ －０ ５２ １ ）５０ ７ －７ ０ ３９ １ （０ ００ －７ ６０
考虑颗粒旋转 的颗粒动 力学模拟提升管气固两相 流动特 性
郝振 华， 陈 巨辉， 白颖华， 王 帅， 徐鹏 飞， 陆慧林
（ 尔滨工业 大学 能源科 学与工程 学院， 黑龙江 哈 尔滨 １００） 哈 ５０ １
ｔ ｅ ｒ ｆｇ ａ ｕ ａ ｏ Ｉ ｈ ｓｓｕｄ ，ｕ ｉｇ ａｔ — ｕｄ ｍｏｄ ｌｃ ｍ ｂ ｎ ｎ ｔ ｈ ｙ ｍ ｉ ｅ ｒ ｆｇ ａ ｕ ａ ｈ ｏ ｙ ｏ ｒ ｌ ｆ ｗ． ｎ ｔ ｉ ｔ ｙ ｓｎ ｗｏ ｆ ｉ ｎ ｒ ｌ ｌ ｅ ｏ ｉ ｉ ｇ ｗｉ ｔ ｅｄ ｎａ ｃｔ ｏ ｏ ｒｎ ｌ ｈ ｈ ｙ ｒ ｌ ｗ，ｔ ｕ ｒｃ ｌａ ｌ ｓ ｓｏ ｆ ｃ ｆｔ ａ ｔｃｅ ｒ ｔｔｏ ｎ ｇ ｐａｔｃｅ ｔ － ａ ｅ ｆ ｗ ｅ ａ ｏ ｎ ａ ｆｏ ｈ ｅｎ ｍ ｅ ｉａ ａｙ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｐ ｒｉｌ ｏ ａｉ ｎ ｏ ａ － ｒｉｌ ｗｏ ｐｈ ｓ ｏ ｂ ｈ ｖｉｒｉ ｎ ｈ ｈ ｓ ｌ ｌ ｉ ｚｎｇｒｓ ｒｗｅ ｅｃ ｎ ｕ ｔ ｄ Ｖｉ ｏ ｇ ｎ ｓ ｏ ｆ ｉｎ ，ｈｅｅ ｅ ｇ ｄｉｓｐ ｔ ｕ ｏ ｔ ａ ｔ ｅ ｒ ｔｔｏ ｆｕｄｉｉ ｉｅ ｒ ｏ ｄ ｃｅ ． ａｔ ｅｒ ｕ ｈ ｅ ｓｃ ｅ ｃｅ ｔ ｔ ｎ ｒ ｓ ｉａｉ ｎ ｄ ｅｔ ｅｐ ｒｉｌ ｏ ａｉ ｎ ｈ ｉ ｙ ｏ ｈ ｃ
大颗粒流化床上升管内两相流动的数值模拟
０ 前 言
液固两相流动进行数值研究是两相流研 究的一个热 点． 研究颗粒团聚造成的多重尺度上的非均匀结
构 对于优化循 环流化床蒸发器 的设计 、调控 都有重要 的意义 ．
对液 固两相流在垂直管束 中流动的均匀性 、稳定性 的研究多数研究者以实验 为基础 “ ，采用统计和 随机理论方法研 究床层 中颗粒 的随机运动规律 ，但对管 内颗粒 团的运动规律研究很少 ， 尤其是低液速 范围．由于颗粒之 间的相互作用 ，颗粒浓度变化较大，颗粒 空隙率分布很不均匀 ．Ｓｇ 和 Ｉ ｅ ｅ ｅｒ ｅ ｌｒｒ ｂｂｇ 在稀悬浮液垂直管流 中观察到 中性 悬浮的颗粒球移动并聚集成一个小的环状 区域 ， 这种现象在矩形截面 的垂直流动中也 存在 ，通常的观察认 为径 向平衡位置在 ＝ ．的地方 ．Ｋａ ｎ 认为在换热管中保持 ０ ６ ｌ ｅ ｒ 流化状态的固体颗粒 由于和管 中的液体相互作用 ， 提高 了整个管 内流体的能量 ， 同时颗粒对 管壁具有刮 磨作用 ． ｓｋｒ 等 同对 固液两相流在竖直管 中颗粒碰撞进行 了二维模拟 ，但进一步深入的研 究还未 见 Ａ ａｕａ 报道 ，尤其是对于较大颗粒 （ ＝１ ｍ ．ｍ ）在垂直 向上管流中的流化特性 、速度分布 、压力及 相互影 响 ０
Ａｂｓ ｒ ｃ ＣＦＤ ｏ ｌｏ ｕｌｉｈａ ｅｆｏ ｃ ｅ ｌｚ ｄ ｂ ｈｅｃ ｍ ｂ ｎ ｔｏ ｅ － ｌ ｒｍ ｏ ｌ ｎｄｋｉｅ ｉ ｏ ｙ ｆ ｔａ ｔ ｍ ｄｅ ｆｍ ｔｐ ｓ ｗ ａｎｂｅｒ ａ ｉｅ ｙ ｔ ｏ ｉ ａ ｉｎ ｏｆＥｕｌｒＥｕ ｅ ｄｅ ｎ ｔｃｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｈｅ ｍｕｌｉ ａ ｅｆｏ ｔｐｈ ｓ ｗ， Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈｅ ｒｅ ，ｍ ｏｄ ｌｎｇｗ ａ ｓ ｄ ｔ ｉ ｕ ａｅ ａｌｑ ｄ－ｏｌ ｆｏ ｌ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｅ ｔ ｏ ｉｓ ｅ ｉ ｓｕ ｅ ｏ ｓｍ ｌ ｔ ｉｕｉ ｓ ｉ ｌ ｗ， ｄｉｔｉｕｔｏｎ ｅ ｏ ｉｙ ｄ ｓｒｂ ｉ ｓｏｆｖ ｌ ｃｔ ａ ｄ ｃ ｒ ｃｅ ｉｔｃｏ ｗｏ ｐ ｓ ｏ ｗ ａ ａ ｃ ａｅ ｎａｖｅ ｔｃ ｌ ｐｅ Ｔｈ ｅ ｕｌｓｓ ｗ ｈａ ｌ ｔ ｒ ｘｉｔｉ ｐｅａ ｎ ｈａ ａ ｔｒｓｉ ｆｔ ｈａ ｅｆ ｗ ｓｃ ｌｕｌｔ ｄ ｉ ｒｉ ａ ｌ ｐｉ ． ｅｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｔｃｕｓｅ ｓｅ ｓ ｎｔ ｐｉ ｎｄ ｈｅ
提升管内的气固两相流动
循环流态化循环流态化的存在区域 气、固流动规律气、固流动模型在垂直系统中，气、固接触形式及其流动状况不仅受设备的结构及气、固物性的影响，而且更直接和重要的是受操作条件的影响随着操作气速的提高垂直气固流动系统可条件的影响。
随着操作气速的提高，垂直气、固流动系统可出现散式流态化→鼓泡流态化→湍动流态化→快速流态化→密相气力输送→稀相输送等流动状态密相气力输送→稀相输送等流动状态。
循环流态化是指操作气速较高，并伴有颗粒循环的气、固两相并流向上的流动过程，是一种高效的、无气泡的气、固两相并流向上的流动过程，是种高效的、无气泡的气、固接触技术。
循环流化床广泛的应用于石油、化工、冶金、能源、环保循环流化床广泛的应用于石油化冶金能源环保等工业领域。
循环流态化的存在区域对垂直气固流动系统，当由湍动流态化进一步增大气速时，颗粒夹带速率愈益增大，床层界面愈趋弥散。
当气速增大至临界值时，颗粒夹带速率达到气体饱和携带能力。
在没有颗粒补入的情况下，床层颗粒将被很快吹空。
因此，为维持正常操作，必须向床中补入颗粒。
若补入速率太小，则床层发生由湍动流态化向稀相气力输送的直接过渡。
若补入速率增大则床层进入典型的快速流态化状态大，则床层进入典型的快速流态化状态。
在快速流态化区，气、固两相由湍动流态化时气体为分散相(气泡)颗粒为连续相的流动形态发生逆转，变为气体为连相(气泡)颗粒为连续相的流动形态发生逆转变为气体为连续相、颗粒为分散相(絮状物)的流动形态。
快速流态化的典型特征为床层压降主要用于悬浮和输送 快速流态化的典型特征为：床层压降主要用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速，颗粒密度沿轴向呈上稀下浓分布。
并且平均空隙率般为颗粒速度在床层中区向平均空隙率ε一般为0.75～0.95。
颗粒速度在床层中心区向上，在边壁区向下，呈现明显的内循环流动。
继续增大气速，则床层颗粒浓度不断变稀，轴向分布愈趋均匀。
到某一临界条件，空隙率轴向呈均匀的单一稀相，固相上稀下浓的复合状态消失，床内密度上下均匀，ε为0.95稀的复合态消失床内密度均匀左右分布，这就标志着快速流态化向密相气力输送的过渡。
气固两相流模拟技术的研究及应用
气固两相流模拟技术的研究及应用气固两相流模拟技术，是指模拟气体和固体颗粒同时运动的过程。
其应用场景非常广泛，比如化工制造领域中的气力输送、固体颗粒混合、喷雾干燥等过程，以及环境科学领域中的大气污染、沙尘暴等问题。
因此，气固两相流模拟技术的研究和应用具有重要的实际意义。
目前，气固两相流模拟技术主要采用计算流体力学（CFD）方法或离散元法（DEM）实现。
CFD方法主要基于对流方程，通过数值方法对流体动力学方程进行求解，得出流体的流速、压力等物理参数，以及气体与颗粒之间的相互作用力等参数。
DEM方法则主要基于颗粒运动力学原理，把物质看作是由相互作用的颗粒组成的离散体系，通过求解颗粒的受力情况，来计算颗粒之间的相互作用力、碰撞等参数。
虽然两种方法各有优缺点，但在处理气固两相流时，通常采用CFD-DEM耦合方法。
该方法主要是将CFD和DEM方法的数值模型进行耦合，实现同时对气体和颗粒的运动进行模拟，从而更加准确地模拟气固两相流动态过程。
在气固两相流模拟技术中，最关键的是气体与颗粒之间的相互作用力。
气体与颗粒之间的相互作用力可以分为两类：杆状作用力和碰撞作用力。
杆状作用力主要是指气体因速度梯度而对颗粒施加的作用力；碰撞作用力则是指颗粒之间或颗粒与壁面之间发生的碰撞，由此产生的反作用力。
在气固两相流模拟技术的应用中，最常见的是喷雾干燥领域。
喷雾干燥是指在高速气流中喷入悬浮颗粒，通过颗粒与气体的相互作用，使颗粒与气体之间的热量、质量交换，从而实现悬浮物质的干燥过程。
针对喷雾干燥的气固两相流模拟技术，通常采用CFD-DEM二元模型，考虑气固两相流的微观动力学过程，并通过模拟颗粒与气体之间的传热、传质等物理过程，来研究喷雾干燥的机理和优化干燥过程。
研究表明，采用气固两相流模拟技术可以更好地解释和深入研究喷雾干燥过程中颗粒的运动、热量传递和干燥效果等重要问题。
除了喷雾干燥领域之外，气固两相流模拟技术在环境科学领域，特别是大气环境领域也有重要的应用。
提升管反应器进料段气-固两相流的CFD模拟及结构优化
中图 分 类 号 ：ＴＥ ２ ６４
Ｇ ＡＳ Ｓ ＬＩ ＦＬｏ Ｗ —ｏ Ｄ ＣＦＤ Ｉ ＵＬＡＴＩ Ｎ ＳＭ ｏ ＡＮＤ ＴＲＵＣＴＵＲＡＬ Ｓ ｏＰＴＩ Ｉ Ｍ ＺＡＴＩ Ｎ ｏ
ｏＦ ＦＥＥＤ ＮＪ Ｉ ＥＣＴＩ ＮＧ ＺｏＮＥ Ｓ ｏＦ Ｒｌ ＥＲ ＲＥＡＣＴｏＲ
ｐａ ｔｃｅ ｐ ｒ ｉｌ ｎ ａ ｔｃｅ ｗａ ｌｃ ｌ ｅ ｃ ｄ．Ｔｈｅ ｃ ｌｂ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｔ ｈｏ ｄ ｔ ｔｂｙ ｕｓｎｇ ｔ ｒ ｉ ｌ ａ ｔｃｅ ａ ｄ ｐ ｒ ｉｌ— ｌ ｏｕ ｄ ｂｅｒ ｄｕ ｅ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｅ ｕｌｓｓ ｗｅ ｈａ ｉ ｈｅ
ｉ ｉ ｅ ｔ ｉｅ ｅ ｃ ｏ ．Ａｃ ｏ ｄｉ ｇ ｔ ｈｅＣＦＤ ｉ ｕ ａ ｉ ｅ ｕ ｔ ｎｓｄ ｈｅ ｒｓ ｒｒ ａ ｔ ｒ ｃ ｒ ｎ ｏ ｔ ｓｍ ｌ ｔｏｎ ｒ ｓ ｌｓ，ａｎ ｏ ｉ ｉｅ ｔ ｕｃ ｕｒ ｆｔ ｉｅ ｐｔｍ ｚ ｄ ｓ ｒ ｔ ｅｏ ｈｅｒｓ ｒ ｒ ａ ｔ ｒｗａ ｃ ｉｅ ｏ ｒ ｄｕ ｅ ｃ ａ ｋ ｎｇ ｏ ａ ａ ｙｓ ． Ａｆ ｅ ｔ ｕｃ ｕｒ ｏ ｉ ｚ ｄ ｏ ｉ ｅ ｒ ａ ｔ ｈｅ ｅ ｃ ｏ ｓ ａ ｑｕ ｒ ｄ ｔ ｅ ｃ ｒ ｃ ｉ ｆ ｃ ｔ ｌ ｔ ｔ ｒ ｓ ｒ ｔ ｅ ｐｔｍｉ ｅ ｆ ｒｓ ｒ ｅ ｃ ｏｒ ｔ
也大大降低 。
关
键
词： ＴＭＰ ；提 升 管 反 应 器 ；气 一 固两 相 流 ；Ｃ Ｄ；催 化 剂 磨 损 Ｆ
气固两相流动的数值模拟与建模
气固两相流动的数值模拟与建模气固两相流动是指在管道或设备中，同时存在气体和固体颗粒的流动现象。
这种流动在许多行业中都很常见，例如化工、能源、环境保护等领域。
通过数值模拟与建模，可以更好地理解和预测气固两相流动的特性，提高流动过程的效率和安全性。
在进行气固两相流动的数值模拟时，首先需要进行流体性质的建模。
气固两相流动中，气体和固体颗粒的物理性质和运动行为是不同的，因此需要对两相流动中的气相和固相进行单独建模。
对于气相，常用的模型有Navier-Stokes 方程和连续介质假设，通过这些模型可以描述气体在流动中的速度、压力和密度等特性。
对于固相颗粒，通常采用离散相模型，这个模型假设颗粒之间互相不作用，并体现出颗粒的运动和排列状态。
通过对气相和固相的建模，可以建立气固两相流动的数值模型。
数值模拟中最常用的方法之一是计算流体力学（CFD）方法。
CFD是通过离散化的数学方程和计算方法，对流场进行求解的一种方法。
在气固两相流动的数值模拟中，CFD方法可以用来解决气体和颗粒的速度、压力、浓度和能量等方程。
通过CFD方法，可以得到气固两相流动的速度和压力分布、颗粒浓度分布等参数，从而有效地描述了流动的特性。
除了CFD方法外，还可以采用粒子流体动力学（SPH）方法进行气固两相流动的数值模拟。
SPH方法是一种基于颗粒的数值计算方法，通过模拟颗粒的运动和相互作用，得到流场的分布和特性。
在气固两相流动中，SPH方法可以考虑颗粒之间的碰撞、沉积和湍流扩散等现象，从而更加准确地描述气固两相流动的特性。
数值模拟与建模的目的是为了更好地理解和预测气固两相流动的行为，以便优化流动过程的设计和操作。
通过数值模拟，可以得到气固两相流动中关键参数的分布规律，进而优化设备的结构和工艺参数。
例如，在化工领域中，通过数值模拟可以优化固体颗粒的输送设备，减小颗粒的堵塞和磨损程度，提高流动过程的效率和稳定性。
在能源领域中，数值模拟能够预测煤粉燃烧过程中的颗粒分布和燃烧效率，从而优化燃烧设备的设计和操作。
考虑颗粒旋转的颗粒动理学模拟提升管气固两相流动特性
a6 =
Γ4 7 (1+ β) (1+ β) (1+ e) 2(1+ β) − [1+ − ]+ [1− ] 2 3K (1+ K) 2K(1+ K) 2 3(1+ K)
2
3 e(1 + β ) Γ2 Γ2 Γ eΓ 2 K (1 + β ) ε s go a7 = 4 + 4(1 + e) 4 + 4 2 − 4 , a8 = + 2 2 (1 + K ) + − + 4 2 [2(1 ) (1 β )] K K K K 4 K
拟，分析了流化床颗粒碰撞过程中产生的颗粒间法向应力和切向应力的作用。上述实验 和理论研究表明颗粒旋转影响流化床内颗粒运动， 进而改变气体-颗粒两相流动特性。 然 而，目前采用的颗粒动理学
[7,8]
没有考虑颗粒旋转对颗粒相流动特性的影响。因此，需要
*基金项目：自然科学基金项目（50776023）的资助
2
气体-颗粒流动遵循质量、动量和能量守恒。对于无化学反应时，气体和颗粒相的 质量守恒方程为：
∂ (ε s ρ s ) + ∇ ⋅ (ε s ρ s v s ) = 0 ∂t
∂ (ε g ρ g ) + ∇ ⋅ (ε g ρ g v g ) = 0 ∂t
(1) (2)
其中ε和ρ为气体或者颗粒相浓度，v 为气体或者颗粒相的速度。考虑气体与颗粒之间的 相互作用，气体和颗粒相的动量守恒方程表示为： D (ε g ρ g v g ) = −ε g ∇p + ∇ ⋅ (ε g µ g ∇v g ) − β gs ( v g − v s ) + ε g ρ g g Dt
气固两相流动力学特性的数值模拟与实验研究
气固两相流动力学特性的数值模拟与实验研究气固两相流动是指在一个系统中同时存在气体和固体颗粒的流动现象。
这种流动在许多工业过程中都很常见，如煤粉燃烧、颗粒输送和流化床等。
了解气固两相流动的力学特性对于优化工艺、提高效率至关重要。
为了研究这种流动现象，数值模拟和实验研究成为了两种主要的研究方法。
数值模拟是通过建立数学模型和计算方法，对气固两相流动进行仿真和预测。
数值模拟方法可以提供详细的流场信息，如速度、压力和浓度分布等。
通过调整模型参数和边界条件，可以模拟不同工况下的气固两相流动情况。
数值模拟方法还可以用于研究流动中的细观现象，如颗粒的碰撞和聚集等。
然而，数值模拟方法也存在一些局限性。
首先，模型的准确性和可靠性取决于模型的假设和参数选择。
其次，数值计算的复杂性限制了模拟的规模和时间尺度。
因此，数值模拟方法通常需要与实验研究相结合，以验证模型的准确性和可行性。
实验研究是通过设计和进行实际的物理实验来研究气固两相流动。
实验方法可以直接观测和测量流动中的各种参数和特性。
通过改变实验条件，如气体流速、颗粒浓度和粒径等，可以研究气固两相流动的变化规律。
实验研究还可以用于验证数值模拟结果的准确性和可靠性。
然而，实验研究也存在一些问题。
首先，实验设备的建造和操作成本较高，且受到实验环境的限制。
其次，实验过程中的测量误差和不确定性会影响研究结果的可靠性。
因此，实验研究通常需要与数值模拟相结合，以综合分析和解释研究结果。
在气固两相流动力学特性的研究中，数值模拟和实验研究相辅相成。
数值模拟方法可以提供详细的流场信息和细观现象，为实验研究提供参考和指导。
实验研究可以验证数值模拟结果的准确性和可靠性，为模型的改进和优化提供实验数据。
通过数值模拟和实验研究的相互验证和比较，可以更加全面地了解气固两相流动的力学特性。
在未来的研究中，需要进一步提高数值模拟和实验研究的精度和可靠性。
对于数值模拟方法，需要改进模型的准确性和可靠性，提高计算效率和稳定性。
提升管内气固流动特性的离散元模拟
摘 要 ：采用 离散 单 元 法 模 型 对 二 维 提 升 管 内 气 固 流动 特 性 进 行 了数 值 模 拟 。利 用 标 准 ｋ ｓ 模 型模 拟 气 相 的 湍 流 流 动 ，考 虑 了 颗 粒 间 的 ｖ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ａ ｌ ｓ 力 和 滚 动 摩 擦 的 作用 。通 过 对 颗 粒 和 气 体 流 动 行 为 的分 析 ，得 到 了颗 粒 浓 度 、
文 章 编 号 ：０ ４ ３ ８ 一ｌ １ ５ ７（ ２ ０ ｌ ３ ）０ ７ —２ ４ ３ ６ —１ ０
Ｄｉ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ — ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗ ｂｅ ｈａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｉ ｎ ｒ ｉ ｓ ｅ ｒ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｅ ｇ ａ ｓ — ｓ ｏｌ ｉ ｄ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗ ｂｅ ｈａ ｖｉ ｏｒ ｉ ｎ ａ ｔ ｗｏ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏｎ ａ ｌ ｒ ｉ ｓ ｅ ｒ ｗａ ｓ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎｉ ｎｇ
速 度 、温 度 及气 体速 度 等 的分 布 ，研 究 了 表 观 气 速 和 颗 粒 循 环 速 率 对 颗 粒 流 动 的影 响 。结 果 显 示 ：颗 粒 在 提 升
管 内呈 现 边 壁 浓 、中 心稀 的环 核 流 动 及 上 稀 下 浓 的 流 动 结 构 ；气 固 两 相 都 存 在 一 定 程 度 的 返 混 现 象 ；增 加 表 观 气 速 ，使 颗 粒 浓 度 降 低 、速 度 增 大 ，颗 粒 分 布 更 均 匀 ；增 加 颗 粒 循 环 速 率 ，使 颗 粒 浓 度 增 大 ，而 颗 粒 速 度 对 颗 粒 循 环 速 率 的变 化 不 敏 感 ，颗 粒 分 布 的不 均 匀 性 更 强 。模 拟结 果 与 文献 中实 验 定 性 吻 合 。
提升管内颗粒团聚行为的离散颗粒模拟
（ 庆 石 油 学 院 石 油 工 程 学 院 ，黑 龙 江 大 庆 １３ １ ； 大 庆 石 油 学 院 化 学 化 工 学 院 ，黑 龙 江 大 庆 １３ １ ； 大 ６３ ８ ６ ３ ８
。 庆 油 田设 计 院 ，黑 龙 江 大 庆 １ ３ ５ ） 大 ６ ４ ９
摘 要 ：采 用 计 算 流体 力 学 和离 散 单 元 方 法对 二维 提 升 管 气 固 流 动 过 程 进 行 了数 值 模 拟 。采 用 大 涡 模 拟 方 法 模 拟 气 体 湍 流 流 动 ，采 用 离 散 单 元 方 法 模 拟 颗粒 碰 撞 过 程 。 基 于 网 格 内流 体 能 量 守 衡 ，提 出 了 动 能 加 权 平 均 法 ，实 现 Ｅ ｌ 坐 标 与 Ｌ ｇａｇ 坐 标 的耦 合 与分 解 。模 拟 计 算 得 到 的 瞬 态 流 型 揭 示 了 颗 粒 聚 团 的 合 并 和 破 碎 过 程 及 颗 ｕｅ ｒ ａ ｒｎ ｅ 粒 的详 细 运 动 行 为 ，定 性 地 揭 示 了提 升 管 内气 体 一 粒 两 相 流 动过 程 。 颗
第 ６ １卷
第 ３期
化
工 学
报
Ｖ０ ． １ Ｎｏ ３ １６ ．
Ｍａｃ ２ ０ ｒｈ ０１
２１ ０ ０年 ３月
ＣＩ ＥＳＣ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ ｒ ａ
提 升管 内颗 粒 团聚行 为 的 离散 颗 粒模 拟
提升管内颗粒团聚行为的离散颗粒模拟
提升管内颗粒团聚行为的离散颗粒模拟
1研究背景
最近，管道内颗粒团聚行为一直是研究人员研究的重点。
随着石油和化学品的生产和输送，管道内不同粒径的多相流体机械系统中的颗粒团聚行为受到了越来越多的关注。
颗粒团聚行为对流体系统的安全性和稳定性具有重要的影响，因此有必要准确预测粒子的聚合行为。
2方法
由于实验方法的局限性，离散颗粒模拟方法已被证明是一种可行的理论技术，用于描述和评估管内多相流体系统中颗粒聚合行为。
离散颗粒模拟主要依靠模拟软件对颗粒团聚行为进行数值模拟，从而实现对颗粒聚合行为的准确模拟。
3流体模型
离散颗粒模拟的流体模型有多种。
例如，基于Euler-Lagrange的流体模型可以有效地描述和评估流体动态特性和其他相关特性。
该模型可以被用来模拟多组分流体的流动，而不会对颗粒的排斥作用产生干扰，从而更好地预测颗粒团聚行为。
4数值模拟
基于Euler-Lagrange流体模型的离散颗粒模拟，可以采用网格化技术，对流场、流速和温度进行有限元和隐式数值分析，从而准确预
测颗粒的聚合行为。
数值模拟过程中，可以适当地考虑介绍和涡振效应，以模拟颗粒有效的聚合行为。
5模型应用
基于离散颗粒模拟方法，可以根据计算结果对流体进行多项加强措施，从而改善流体的安全性和稳定性。
随着计算机科学不断进步，离散颗粒模拟可以在液体管道中更好地模拟粒子团聚行为，对油气管道系统的操作可以进一步提升安全性和可靠性。
文丘里管内气固两相流离散相仿真模型优化
文丘里管内气固两相流离散相仿真模型优化李红文;张涛【摘要】Aiming at the discrete phase model(DPM) simulation of gas-solid two-phase flow in Fluent , and taking the flow field in venturi tube as an example ,the optimization measures on the general DPM are proposed based on the analysis of gas flow field and forces acting on solid particles .These optimi-zation measures are taken from fouraspects ,namely the reasonable choice of each force on particles , the gas inlet velocity model ,the particle drag model and the collision of particles with internal surface of pipeline ,so as to improve the simulation accuracy of general model on pipeline throttling with com-plex flow field .The optimization of general model is achieved by calling Fluent software related macro and compiling user defined function(UDF) program .The simulation of the venturi tube is carried out , and the results are compared with the data of national standard .It is verified that the accuracy of the optimized DPM model is significantly superior to that of the general DPM model .Besides ,the presen-ted optimization method is versatile for other pipeline with complex flow field and has engineering ap-plication value .%文章针对Fluent中气固两相流离散相模型（DPM ）仿真，以文丘里管内流场为例，在结合气相流场分析与固相颗粒受力分析的基础上，提出DPM模型优化的4项措施，即从颗粒所受各个力的合理取舍、气相速度入口模型、颗粒曳力模型及颗粒碰壁关系4个方面进行优化，以提高通用模型对管道节流复杂流场问题仿真时的准确性。
管道复杂流场气固两相流DPM仿真优化
第48卷 第1期 2015年1月天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University (Science and Technology )V ol.48 No.1Jan. 2015收稿日期：2013-06-27；修回日期：2013-11-08.基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA04Z180)；国家自然科学基金资助项目(60974118). 作者简介：张 涛（1950— ），男，硕士，教授，zt50@. 通讯作者：李红文，lize739@.网络出版时间：2014-03-24. 网络出版地址：/kcms/doi/10.11784/tdxbz201306057.html.DOI:10.11784/tdxbz201306057管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化张 涛1，李红文1, 2(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2. 东北石油大学学校办公室，大庆 163318)摘 要：针对Fluent 中气固两相流离散相模型(DPM )仿真，为提高通用模型对管道节流复杂流场问题仿真时的准确性，在结合气相流场分析与固相颗粒受力分析的基础上，提出DPM 优化的4项措施，即从气相速度入口模型、颗粒曳力模型、颗粒壁面碰撞模型、颗粒所受各个力的合理取舍4个方面进行优化．通用模型的优化通过调用Fluent 相关宏并编制用户自定义函数(UDF )程序实现．实验已验证优化DPM 的准确性明显优于通用DPM ，具体体现在：两相流型转换时气相速度区间的模拟，颗粒沉降气相临界速度的模拟方面，这2项指标优化后比优化前分别提高55% 和50% ；在实验管道局部阻力损失与节流孔板前颗粒速度分布的模拟仿真方面，优化DPM 显然具有更准确的优势．通过实流实验与仿真模拟的对比，证明优化是有效的．从研究过程可以得出，模型优化的方法对于其他类似的复杂流场工况具有通用性和工程实用价值．关键词：计算流体力学；气固两相流；离散相模型；用户自定义函数；标准孔板中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2015)01-0039-10Simulation Optimization of DPM on Gas -Solid Two -Phase Flow inComplex Pipeline Flow FieldZhang Tao 1，Li Hongwen 1, 2(1. School of Electrical Engineering and Automation ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. School Office ，Northeast Petroleum University ，Daqing 163318，China )Abstract ：General discrete phase model (DPM ) simulation on gas-solid two-phase flow is now widely employed. Inorder to improve its accuracy on pipeline throttling with complex flow field, based on analysis combined gas flow field and forces acting on solid phase particles, four optimization measures about the general DPM model are proposed,which include gas inlet velocity model, particle drag model, collision of particles with internal surface of pipeline and reasonable choice of each force on particles. The optimization of general model is achieved by calling Fluent related macro and comp iling user defined functions (UDF ) p rogram ．Exp eriments verified that the accuracy of the op ti-mized DPM model is significantly superior to the general model ，as is shown in the following four aspects: the simu-lations of the two-phase flow gas velocity conversion interval and the gas critical velocity of particle sedimentation ，which increased by 55% and 50% respectively in the optimized model; what is more, the optimized model obviously has more accuracy advantage on local resistance loss in experimental pipe and particle velocity distribution simulation. Through the contrast of experiment and simulation, the optimization is proved to be successful, and it is concluded that the method of op timization is versatile for other p ip eline with comp lex flow field and has p ractical engineering value ．Keywords ：comp utational fluid dynamics ；gas-solid two-p hase flow ；discrete p hase model (DPM )；user definedfunction (UDF )；standard orifice plate气固两相流在工业生产中，尤其是能源动力及化工等领域应用广泛，其中稀相气固两相流管道流动·40·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期中，通常安装有流量测量装置，例如燃煤电站输送管道煤粉含量和流量的节流法测量，锅炉工业中含尘烟气流量测量等.近年来林宗虎[1]通过差压法测量气固两相流浓度，即在煤粉吹送管道中加装各种孔板元件来实现，王文琪[2]、谢菲[3]采用文丘里管进行煤粉输送管道中的流量测量.由于节流件的阻碍作用，管道内部流场复杂[4]，流动情况多变.在这种情况下，两相流会有不同流型；如果气相速度降低，固相颗粒还会沉降，因节流件通常用于单相流测量，当用于两相流测量时，需要深入研究上述问题；此外，对固相颗粒轨迹的研究能更好地了解颗粒的行为.这些都有助于提高测量精度.上述问题采用实流实验研究方法显然不十分方便，需要找到一种方便有效的研究方法.随着计算机仿真应用技术的发展，CFD(compu-ta tiona l fluid dyna mics)流体仿真模拟技术得到很快的发展，其中Fluent是最有代表性的仿真软件之一，它的优点是突破了实物条件的限制，使用方便，应用范围广泛.DPM(discrete pha se model)是Fluent的子系统之一，利用它研究气固两相流离散相实用且有效，可以方便地研究上面提到的这些问题，但在实际应用中发现它仿真模拟的准确性与前文工况或相对应的实流实验有些偏差，准确性尚有提高的可能，仿真的优势未能充分发挥.本文借助两相流颗粒力学等结论，结合气相流场特点，对离散相颗粒行为进行了详细分析，将颗粒受力进行了合理取舍，结合实际优化了入口与碰撞的边界条件，及曳力系数经验公式，结合UDF(user de-fined function)这一有力的实用工具，对低浓度气固两相流管道的孔板测量工况的DPM模型进行了改进，即优化研究工作，再通过实流实验进行验证，提高了仿真模拟的准确性.1 DPM算法的过程分析与数学描述1.1 Gambit网格剖分与Fluent气相设定在DPM模型中，定义气体为连续相，定义固体颗粒为离散相.若要准确研究离散相颗粒的行为，气相流场的准确计算与模拟是必要前提.首先依据试验用管道实体情况剖分Gambit网格模型，标准孔板尺寸为D＝50mm，孔径比β取0.50、0.65、0.75 3种规格，孔板厚度为3mm，流体介质为标准状况下的空气，孔板前后的直管段长度分别为50D与30D.孔板前后气相流体湍动剧烈，流场中速度压力梯度大，所以孔板前后网格要划分得精密些，其余直管段部分为流场充分发展段，网格划分相对稀疏些，精密与稀疏网格通过尺寸函数来过渡，这样既能保证网格质量，又不至于使网格数目过多，能平衡好计算的准确性与计算速度的矛盾[5].仿真计算中，气相控制方程应用Realizable k-ε两方程模型，此模型适用于包含射流，及混合流的管内流动，对本文工况非常适用；设残差小于0.0001时方程收敛；设置求解器为3维单精度形式；动量、湍动能、湍流耗散率等选取一阶差分迎风格式；根据实际将管道入口及出口，设置为速度入口及自由流出口.CFD软件中有网格自适应功能，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确.计算过程中采用了网格自适应adapt 功能[5].图1为气相仿真中孔板附近轴向剖面速度云图.从图中可见，孔板前1D之前为充分发展的管内湍流，轴向截面速度场形成规则的湍流速度分布.孔板后5D范围以外流场又开始逐渐恢复成孔板射流之前的湍流状态.而在孔板前后，速度与压力梯度大，流场复杂[4]，具体表现为，孔板的射流，形成高速的速度峰值区，孔板两侧的环形直角区又发生剧烈的速度回流，即存在显著的漩涡.实验用离散相固体颗粒为石英砂，其平均直径0.04mm，表观密度为2600kg/m3，堆积密度为1400kg/m3，颗粒形状近似球形．仿真计算中颗粒物性按此进行设置，形状视为球形．图1孔板附近轴向剖面速度云图Fig.1Axial profile velocity contours near the orifice plate 1.2 固体颗粒在气相流场中的受力分析DPM模型要从颗粒受力作为研究的切入点.离散相颗粒在气相流场运动过程中，重力与浮力是最基本的两个力，此外，还有很多个力作用于颗粒，不同力对颗粒运动影响不同，即地位和作用各有差异[6-7].颗粒在流场中随气相运动，其惯性力为3i p p pπ(d d)6F d u tρ=(1)式中：d p为颗粒直径；ρp为颗粒密度；u p为颗粒速度.在流场中，阻力与曳力二者互为相反，即颗粒对2015年1月 张 涛等：管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化 ·41·气体产生阻力，曳力是阻力的反作用力，由气体施加于颗粒，其表达式为 2D p D p p ()/2F r C u u u u ρ=π−−(2)式中：u 为气相流体速度；ρ为流体密度；r p 为颗粒半径；C D 为曳力系数或阻力系数.这一表达式是定义形式，在具体工程应用中，这一公式会有各种不同表达方式.压力梯度力是气相流场中压力梯度对颗粒引起的作用力，表达式为 p p (/)F V P x =−∂∂ (3)式中V p 为颗粒体积．由颗粒表观质量效应产生的虚假质量力为 vm p p (d /d d /d )/2F V u t u t ρ=− (4)颗粒在流体中旋转会产生升力，称作Magnus 升力，它一般与重力数量级相同，表达式为3Mag p p π()/8F d u u ρω=−(5)式中ω为颗粒自转角速度.流场具有速度梯度，于是颗粒上下侧的速度大小不同，这对颗粒产生的升力，称作Saffman 升力，表达式为1/212Saf p p 1.61()()d /d F d u u u yμρ=− (6)式中μ为空气的动力黏度.在黏性流体中，流体流动的不稳定造成一种瞬时流动阻力，即Basset 力，它是一种历史力，需要计算颗粒的运动时间经历的有关指标，才能准确描述.其理论表达式为(Bas p 01.5d d d d d tF d u u τττ=⎡−⎣∫(7)1.3 通用DPM 模型的解算过程模型中假设固相的体积分数小于10%，即离散相很稀疏，认为颗粒与颗粒之间，不发生碰撞，没有互相作用.每个颗粒只与流体互相作用.模型的解法是对连续相流体求解欧拉坐标系下的纳维-斯托克斯方程，不失一般性，可先设残差为0.005或0.010，当计算结果收敛后，将颗粒注入流场，再以单颗粒为对象在拉格朗日坐标系下，求解颗粒运动状态，以颗粒的轨道方程来表示，此时要考虑颗粒与流体的相互作用，此时残差一般设为0.0001，当计算再次收敛时，即得到计算结果.在DPM 中，为求解离散相颗粒运动轨道，需要对描述颗粒作用力的微分方程进行积分.根据牛顿定律，颗粒惯性等于作用在颗粒上的各个力之和，其在直角坐标系下的形式(以x 方向为例)为p D p p 2Dp p D p p (d d )()(18)(24)()x xm u t F m g F F m d C Re u u ρρρμρ=+−+⎧⎪⎨=−⎪⎩ (8)式中：m 为单颗粒质量；F x 是x 轴方向上的其他力，包括第1.2节提到的所有力，后文会详细分析这些力的处理方法；Re p 为颗粒雷诺数或相对雷诺数，定 义为p p p Re d u u ρμ=−(9)Fluent 中对于Re p 有5种经验公式模型可选，通用DPM 一般采用的简化表达式为 D 123p pC Re Re ημμμ=++ (10)式中1μ、2μ、3μ、η为DPM 通用模型库中存储的常数，由相关经验公式得出．对式(8)积分可得颗粒轨道x 轴方向上每一个点的瞬时速度，而颗粒轨道通过对方程 p d d x t u =(11)进行积分，即求得x 值．求得颗粒在x 轴方向上的坐标后，同理可求得颗粒在y 、z 轴方向的坐标，这样仿真计算结果就可得出颗粒在流场中的位置，即离散相颗粒的轨迹．2 通用DPM 的分析与优化2.1 通过分析确定通用模型的优化策略通用DPM ，也称之为基本或理想DPM 模型，适用于很多两相流工况，它普适性较强，但对于某些特殊问题的数值模拟，误差稍大.对于文中气固两相流孔板检测这一具体问题，前文已提及，在孔板前后气相流场很复杂，速度和压力梯度大，固体颗粒受其作用，在孔板前后区域，颗粒与管壁、孔板迎流面发生多次碰撞反弹，由于颗粒自身快速地自转，决定了被反弹后的运动方向也各不相同，当气相速度降低，颗粒还会因重力沉积在孔板前方的管壁下侧，此时气相速度为固相颗粒沉积临界值.因此，对此问题的DPM 仿真，需要自定义其中的一些物理模型，以提高针对具体工况模拟的准确性.研究后发现针对本系统，通用模型具有几个方面可以改进和优化之处，详细论述如下.2.1.1 颗粒受力分析与处理方案针对第1.2节中颗粒所受各个力，进行分析并选取合适的方案处理，用以优化DPM 模型. 通常，颗粒曳力最明显也最大，它比压力梯度力大3个数量级，比虚假质量力比大3或4个数量级[7]，所以，可以合理地忽略这2种较小的力.·42·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期通用DPM模型中，设置了Saffman升力处理程序，通过启动相应功能选项来实现.通常的模拟中往往忽略此力，但对本文工况，这样处理有失准确.原因是，根据式(6)分析，Saffman升力由于颗粒上下侧的速度大小不同，即速度梯度所产生，在管道流动的中心区，流体速度梯度小，此力可视为0，但是在边界层中流体速度梯度大，Saffman升力明显，尤其在管内流场复杂的孔板前后方，速度梯度更大.只有对此力加以计算，才能更准确地描述颗粒行为.通用DPM模型将颗粒看作表面光滑的球形，于是认为颗粒不受气相流场的外力矩，故而合理地将Magnus升力忽略.事实上，颗粒形状不存在理想的球形，只要外形有一点不规则，气相流场就令颗粒受到方向各不相同的力矩作用，结果是颗粒产生自转运动且速度很高[7-8]，经研究发现转速可达1000r/s左右.又根据式(5)，Magnus升力大小与重力相比，二者大小相等方向相反，研究得到的几个典型经验值认为二者量值差异在10%以内[7]，于是Magnus升力与重力能够互相抵消.而颗粒的曳力又比重力大1个数量级，由于式(8)中已经计算了重力，如果忽略Magnus 升力将会造成很大的误差.所以准确计算此力将更加准确描述颗粒运动.如果需要准确计算Basset力，需按照由长福等[9]给出的表达式进行.针对本文工况，由湍流引起的颗粒随机脉动，其影响经积分后Basset力几乎为0.同时实际情况也符合流体密度与颗粒密度之比小于0.002时，可以忽略Basset力这个条件，据此本文将其忽略，不失合理性.2.1.2仿真模型气相入口速度的优化模拟管道的气相速度入口时，从图2(a)可见，入口截面上往往采用简化的匀速固定速度流入方式，其大小为u0，而实际上孔板节流件之前已经有足够长的直管段，气相已经形成如图2(b)所示的速度分布.而在通常仿真中，研究人员所设定的入口速度u0是一个通过质量流量准确计量而求得的平均流速，这种简化的速度入口形式与实际情况相差较明显.尤其涉及到计算颗粒轨道的步骤时，气相的差异造成入口处颗粒运动的初始状态就与实际工况有明显差异，尤其是接近于管壁处的边界层区域，这种差异要比管道主流区明显得多.尽管这个差异的影响随着迭代计算会有所减弱，但很难消除，会在整个计算区域一直存在，根据式(6)可知，这种影响的表现之一就是Saffman升力不准确.解决这个问题的方法是采用自定义速度入口，用以描述图2(b)的两相模型气相速度入口形式为0.15in m(/)u u r R=(12)式中：R为圆形管道半径，R＝25mm；u m为圆形管道中心轴线上的速度；u in为管道入口处距轴线r处的速度，针对本文工况，经流体力学基本理论计算，可知u m＝1.24u0，采用式(12)描述的气相速度入口，可提高仿真计算的准确性.（a）通用DPM模型气相速度入口（b）优化DPM模型气相速度入口图2两种仿真模型速度入口形式Fig.2Speed entry of two kinds of simulation model2.1.3颗粒曳力模型的选择在计算曳力时，通用DPM模型给出的5个经验公式，编制了相应程序，用来解决各种常见工况.在一定的颗粒雷诺数Re p范围内，程序中通常用将C D 表示为Re p的一个全区域通用的经验公式函数.而在本文工况中，对于充分发展的管内流动，雷诺数变化范围较大；尤其在孔板前后附近区域，即孔板前1倍后3倍管径范围内，气体湍动显著，雷诺数的变化区间超过充分发展管流的数倍，颗粒受气相流体作用，造成全区域的曳力系数模型较为粗略，针对此问题有必要选择更加准确的曳力系数模型.在计算方程(8)时，C D采用文献[7]提供的“球形颗粒曳力系数表达式”，它将见整个颗粒雷诺数适用范围分为10个区间，如表1所示，它来源于前人大量的实验数据与统计研究，从0到无穷大的任何表1全雷诺数范围球形颗粒曳力系数表达式p2015年1月 张 涛等：管道复杂流场气固两相流DPM 仿真优化 ·43·一个颗粒雷诺数，都相应地对应某个精确的曳力系数表达式，其优点在于采用分段表示的的精确公式，准确性明显要高于全区域通用的经验公式.在DPM 模型优化中，为提高仿真模拟的准确性将表1公式组代替原有的曳力系数表达式.2.1.4 颗粒壁面碰撞边界条件优化系统运行中，固体颗粒会与壁面发生碰撞并反弹，尤其在孔板迎流面最为显著.碰撞行为受颗粒的物性、运动状态，包括速度、入射角度，自旋状态等等参数的影响，由于众多因素的影响，至今没有反映碰撞规律的普适模型，在DPM 通用模型中，程序将实际情况简化为反射、捕获、逃逸3种边界条件，这样处理的理由有2点，或是认为颗粒碰撞不存在能量损失，是完全的弹性碰撞，或是简单地设定一定的常数值碰撞恢复系数，用以表示颗粒的能量损失程度.分析可知，这2个简化方法都不能较准确描述颗粒与壁面碰撞的复杂过程，引入计算误差.所以要针对各个工况的具体情况寻求合理的碰撞模型，便于准确地描述碰撞后颗粒的行为，以及描述更为准确的运行轨迹，从而提高仿真准确性.国内外一些科研人员[8，10-11]通过激光全息和PIV 实验装置，针对于某些特定的工作参数条件.得到了一些颗粒壁面碰撞模型的经验公式，这些经验公式普遍认为反射、捕获、逃逸的定义，稍为简单，他们通过大量的统计性研究，发现恢复系数与入射角及入射速率有关.本文中颗粒的理化特性与工况非常接近其应用条件，故将其应用于DPM 模型优化过程中文献[8]所提供经验公式为 2211134111.00.75(2.033.322.240.47)v v αααα=−−+−(13)2121134111.00.0775(0.41 2.522.190.53)ααααα=+−+−(14)式中：v 1与v 2分别为颗粒与壁面碰撞前后的速率；α1与α2分别为颗粒的入射角与出射角，rad ．具体形式如图3所示．图3 颗粒壁面碰撞示意Fig.3 Collisions between particles and wall2.2 DPM 优化策略的实现Fluent 软件不可能满足每一个具体工况的实际情形，其标准界面及功能并不能满足每个用户的需要．软件提供的UDF 功能正是为解决这个问题而开发的，用户可以编写Fluent 源代码来满足各自的特殊需求．用户自编的代码程序可以动态地链接到Fluent 求解器上来提高求解器性能．UDF 中可使用标准C 语言的库函数，并使用Fluent 提供的预定义宏，通过预定义宏，可以获得Fluent 求解器中的数据．本文采用编译型UDF ，嵌入共享库中与Fluent 链接并运行[5]．采用UDF 功能实现通用DPM 模型的优化，采用上文相关公式进行C 语言编程，并通过Fluent 中的几个自定义宏来实现，对应第2.1节相关宏如下．(1)为准确计算Magnus 升力，使用“自定义重力及曳力之外的其他体积力”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BODY_FORCE ；如需准确计算Basset 力，也通过这一宏实现.(2)为准确定义空气入口湍流速度剖面表达式，使用“自定义边界截面上的变量分布”这个宏，其语句为DEFINE_PROFILE .(3)为定义颗粒曳力模型的公式组，使用“自定义流体中颗粒的曳力系数”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_DRAG .(4)为实现自定义的颗粒与壁面碰撞规律.使用“自定义颗粒到达边界后的状态”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BC .所编制的C 语言源程序，包含上述宏语句的代码，在离线调试运行成功后，作为功能模块添加到Fluent 通用模型中，然后再进行DPM 模拟计算，这样，针对气固两相流节流流场，拓宽了通用DPM 模型适用范围，同时提高了仿真精度，解决了具体问题的实际需求，DPM 模型得以优化.需要说明一点，Fluent 中DPM 优化前后，其适用条件没有变化，即假定离散相非常稀疏，这样可以合理地忽略颗粒与颗粒间的相互作用，以及忽略颗粒体积对连续相的影响．这个假定意味着离散相体积分数小于10%．但是颗粒质量载荷可以远大于10%．在下文的实验与仿真中，当取最大的固气质量比R PG ＝5时，颗粒体积为两相混合物的0.43%，符合DPM 的适用条件．在仿真计算中，颗粒载荷比较大，离散相的颗粒质量会对连续相气体的流动状态产生影响，所以为准确计算两相间的相互作用，需采用相间耦合计算模式[12]．3 DPM 优化前后仿真与实验对比验证实流实验在天津大学气固两相流实验装置上完·44·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷 第1期成，此装置是研究气固两相流的理想平台，实验段管路可以安装各种流量检测仪表．装置详细介绍可见文献[13]．实验台部分接入标准孔板法兰取压部件，法兰两端可以更换，实验中接入一段粗糙度等指标与钢质管道很接近的透明工程塑料管道，以便观察管内孔板前后颗粒的流动状况．3.1 气固两相流流型与流型转换区间的验证实验中，针对3种不同规格孔板，当固体颗粒注入，在β＝0.50、0.65、0.75时，气固质量比R PG＝1.0、2.0、3.0，固相体积分数均小于0.25%，此时两相流有悬浮流和管底流2种流型，分别描述为：①气相作用下，所有颗粒悬浮在管道中向前流动，颗粒在管道中呈现均匀的弥散状态，此时处于悬浮流状态；②半数以上的颗粒位于管道下部高度为D/4部分，在气相作用下，少数颗粒在管道底部跳跃前进甚至滚动(或滑动)前进，此时颗粒处于管底流状态，而颗粒未出现停滞，全部流过管道，没有沉积在管道底部．当气相入口流速改变时，流型会有所变化，速度较低时出现管底流，速度较高时，出现悬浮流．两种流型之间有一个过渡区域，文中称为流型转换区．实验操作中，气相入口的速度u0的范围为2～10m/s．入口速度u0从高速开始，逐步减小，每隔0.1m/s为1个实验点．这样得到实际实验中流型转换速度区间[u1，u2]，当u0＞u2时是悬浮流，当u0＜u1时是管底流．颗粒流动的状况可以从孔板前方的透明管道观察到．仿真采用ANSY S Fluent13版本软件，设定与实流实验相同的实验点参数．先对每个实验点工况下进行纯空气流动的仿真模拟，当气相收敛残差达到0.01时，暂停仿真，存储cas与dat文件，为进行比较研究，分别启动通用DPM模型，与优化DPM模型进行仿真，便于比较研究．在颗粒注入管道气相流场时，采用管道入口的面射流源注入．图4为DPM仿真程序模拟绘制出的颗粒轨迹(统计平均轨道)，分别代表了2种流型．在孔板上游，处于悬浮流的颗粒轨迹均匀地布满整个管道剖面，处于管底流时颗粒在管道下方更为密集，与孔板迎流面下方发生碰撞也多一些，这与实验管道中的观察情况一致．通过仿真与实验结果对比可知，优化DPM在两个方面优于通用DPM：①通过观察可知，优化后模型仿真模拟颗粒的轨迹更接近实际情况；②流型转换时，对气相临界速度区间的模拟，优化模型更接近于实流实验，如表2所示，仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．（a）悬浮流（b）管底流图4悬浮流与管底流实物与仿真示意(单位：s)Fig.4Suspension flow and pipe bottom flow(unit：s)仿真结果偏差是按如下方法估算的：取每个速度区间的中点，作为流型转换区速度的典型值，以表中第1行数据为例，相应的各个典型值为5.90、5.40、5.55，以实流实验为准，通用与优化DPM仿真典型值相对于实验典型值的偏差大小分别为δc＝0.35和 δo＝0.15，于是优化DPM相对于通用模型对比，典型值偏差减小为优化前的比例为Δ＝δo/δc＝0.428．表2流型转换时气相速度区间[u1，u2]Tab.2Velocity conversion range [u1，u2] of air flowm/s 参数值通用DPM 优化DPM 实流实验β＝0.75，R PG＝3.0 [4.8，7.0] [4.4，6.4] [4.5，6.6]β＝0.65，R PG＝2.0 [4.6，6.6] [4.1，6.0] [4.3，6.2]β＝0.50，R PG＝1.0 [4.5，6.6] [4.2，6.3] [4.2，6.1]这组实验在不同时间做过3次(每次实验数据都与表2非常接近)，一共9组数据，相应算出9个Δ值，这9个Δ的算术平均值是0.45，所以得到仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．如果在数轴上观察各个区间的分布情况，能够看出优化DPM所描绘的转换区间明显比通用DPM接近实流实验．3.2 颗粒沉降气相临界速度的仿真与实验在流型为管底流状态时，当气相入口速度逐渐降低时有更多的颗粒在管底滚动(或滑动)前进，越多的颗粒碰撞管底后不会弹起，速度进一步降低，有部分颗粒因速度不足而不能通过孔板，滞留在孔板前部的管道下方及孔板前部直角区的位置．这种工况可以在实验装置透明管道中观察到．当有颗粒滞留时，气。
基于气固两相流的双循环流化床提升管压降模型的预测和实验研究
基于气固两相流的双循环流化床提升管压降模型的预测和实验研究杨新;陈鸿伟;梁占伟;许文良;孙超【摘要】为研究提升管颗粒循环流率对提升管压降的影响,搭建双循环流化床冷态实验系统,采用差压变送器进行提升管轴向区域压降的实验研究.基于提升管不同的颗粒速度计算方法,充分考虑加速区和充分发展区的不同压降机理,建立加速区、充分发展区和整个提升管压降模型,与实验结果比较发现:加速区颗粒速度采用滑移系数方法所得压降与实验值较吻合,在充分发展区进行压降计算时颗粒速度采用滑移速度等于终端速度计算所得结果较精确;在提升管压降计算时可综合考虑加速区和充分发展区适用的压降模型进行计算,可为实际生产运行中采用压差法进行提升管轴向颗粒浓度的分布提供一定参考,为提升管压降的在线监测提供指导.%In order to study effect of particulate circulating flow rate on pressure drop in riser, a cold experiment system of double circulating fluidized bed was established with differential pressure transmitters to probe axial pressure drop in riser. Based on various calculation methods of particulate velocity and different pressure drop mechanisms in different areas, pressure drop models were built for acceleration area, fully developed area, and whole riser. Pressure drop in the acceleration area by slip coefficient calculation was consistent with experimental value, while pressure drop in the fully developed area was relatively accurate upon assuming particulate slip velocity equal to terminal velocity. Therefore, pressure drop calculation in riser by comprehensive pressure drop models in the acceleration and fully developed areas could be good reference for pressure drop to be used inprediction of axial particulate concentration distribution in riser during production and provide guidance for on-line pressure drop monitoring in riser.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)012【总页数】7页(P4585-4591)【关键词】循环流化床;两相流;提升管;压降;颗粒速度;加速区;充分发展区【作者】杨新;陈鸿伟;梁占伟;许文良;孙超【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003;河北水利电力学院,河北沧州 061001【正文语种】中文【中图分类】TK229双循环流化床用于生物质气化反应时具有强化不同反应分区，提高产物生成效率和质量的优点，受到国内外众多学者的关注[1-9]。
突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟
突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟李国美;王跃社;亢力强
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2008(29)12
【摘要】采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法(DPM),对水平突扩圆管中液固两相流固体颗粒的碰撞过程进行了数值计算。
在模型中,对液相采用欧拉法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟。
采用硬球模型描述颗粒间的碰撞作用。
计算结果表明,该模型可以真实地模拟液固两相流中固体颗粒运动的动态变化过程以及颗粒的非均匀分布特征,从单颗粒层次上提供颗粒的运动信息,这有助于深入研究液固两相流中固体颗粒的运动规律。
【总页数】4页(P2061-2064)
【关键词】欧拉-拉格朗日方法;硬球模型;液固两相流;碰撞
【作者】李国美;王跃社;亢力强
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049;中国科学院力学研究所,北京100190
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
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提升管反应器气固两相流动反应模型及数值模拟：Ⅲ.注终止 …
提升管反应器气固两相流动反应模型及数值模拟：Ⅲ.注终
止…
高金森;郭印诚
【期刊名称】《石油学报：石油加工》
【年(卷),期】1998(014)003
【摘要】应用已经建立的催经裂化提升管反应器流动反应模型和对工业提升管反应器流动反应模拟的结果，对采用反应终止剂技术的提升管反应器进行了数值模拟研究。
结果表明，催化裂化提升管反应器数值模拟可为反应终止剂技术的实施解决确定注入位置和选择终止剂两个问题；另外还能优化方案，提供指导性的先期理论分析数据，结果还表明，以水为终止剂优于汽油；设计的方案Ⅰ是最好的，即对馏分油催化裂化过程只是较大程度地降低提升管反应器上部
【总页数】9页(P38-46)
【作者】高金森;郭印诚
【作者单位】石油大学重质油加工国家重点实验室;清华大学工程力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TE966
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诚
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小型提升管气固两相流冷模实验及数值模拟研究的开题报告
小型提升管气固两相流冷模实验及数值模拟研究的开题报告题目：小型提升管气固两相流冷模实验及数值模拟研究的开题报告一、研究背景气固两相流作为一类典型复杂流体，其在多个工业领域中均有广泛应用，如化工、石油、食品、药品等。
小型提升管是一种广泛应用于化工、环保、采矿等方面的设备。
气固两相流经过小型提升管时，流态变化引起的压降以及气固两相流的相互作用等因素对生产过程产生了很大的影响。
因此，对小型提升管中气固两相流的流态和传热传质特性进行研究，具有极其重要的实际意义和科学价值。
二、研究内容和目标本研究旨在通过冷模实验与数值模拟相结合的方法，研究小型提升管中气固两相流的流态变化、流动特性、传热传质等方面的基本特性，为提高小型提升管的工作效率和性能提供理论支撑。
研究内容包括：1. 小型提升管冷模实验设计：通过对设备进行改进，设计小型提升管的冷模实验装置，并在实验中控制流体压力、流量、温度、浓度等参数。
2. 实验数据获取和分析：通过数字高速相机、红外线热像仪等仪器实时获取实验区域的图像和温度数据，采用Matlab等软件对数据进行处理和分析，获取气固两相流的流态和传热传质特性数据。
3. 气固两相流数值模拟：利用CFD软件基于VOF模型，建立小型提升管的数值模型，模拟不同工况下气固两相流的流态变化、流动特性、传热传质等。
研究目标包括：1. 研究小型提升管中气固两相流流态的变化规律、流动特性以及传热传质特性。
2. 比较实验和数值模拟的结果，并验证数值模拟的准确性和稳定性。
3. 通过优化小型提升管设计和工作参数，提高其工作效率和性能。
三、研究方法1. 冷模实验：通过设计冷模实验装置，采用数字高速相机、红外线热像仪等仪器实时获取实验区域的数据，获取气固两相流的流态和传热传质特性数据。
2. 数值模拟：利用CFD软件基于VOF模型，建立小型提升管的数值模型，模拟不同工况下气固两相流的流态变化、流动特性、传热传质等。
3. 数据处理与分析：采用Matlab等软件对实验和数值模拟数据进行处理、分析和比较，得出小型提升管中气固两相流的流态变化、流动特性、传热传质特性等数据。
管束间气固两相流动的直接数值模拟研究的开题报告
管束间气固两相流动的直接数值模拟研究的开题报告1. 研究背景和意义管束间气固两相流动广泛应用于化工、石油、能源等领域，具有重要的理论和应用价值。
然而，流动过程中的复杂现象和流体动力学挑战使得研究难度较高，需要深入的理论研究和精确的数值模拟方法。
因此，直接数值模拟研究管束间气固两相流动的基础和应用问题，具有重要的科学和工程意义。
2. 研究目的和内容本文的研究目的是开展管束间气固两相流动的直接数值模拟研究，探究其流体力学特性和转移机制。
具体的研究内容包括：（1）建立管束间气固两相流动模型，并采用直接数值模拟的方法进行模拟计算。
（2）分析模拟结果，探究气固两相流动的时空分布规律、沿程传输特性、相互作用及影响因素。
（3）基于模拟结果，讨论气固两相流动的应用和工程实践问题，提出优化和改进建议。
3. 研究方法和技术路线本文将采用直接数值模拟方法（Direct Numerical Simulation，DNS）进行气固两相流动的数值模拟，该方法适用于复杂流体流动的数值计算领域。
具体的技术路线包括：（1）建立气固两相流动的数学模型，包括质量、动量、能量守恒等方程，考虑气体粘性、颗粒间碰撞等因素。
（2）设计数值算法，采用高精度有限体积或有限元方法，计算颗粒、液滴等固体粒子的运动轨迹，模拟整个气固两相流动过程。
（3）进行模拟计算，根据模型和算法，采用计算机进行直接数值模拟，得到气固两相流动的时空分布规律和动力学特性，并进行数据分析和可视化展示。
4. 预期成果和意义本文的预期成果包括：（1）建立管束间气固两相流动的直接数值模拟方法，揭示其流体力学规律和特性。
（2）深入理解气固两相流动的物理机制和转移规律，为相关学科领域的研究工作提供重要的理论基础。
（3）为化工、石油、能源等领域气固两相流动的应用和工程实践提供科学的参考和指导，推动相关技术的发展和应用。
总之，本文的研究成果将具有重要的理论和应用价值，对于推动气固两相流动领域的基础研究和工程应用具有重要的推动作用。
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提 升 管 内气 固两 相双 组 分 颗粒 流 动 的 离 散颗 粒 硬 球模 型 的模 拟
赵云 华 ，何 玉荣 ， 陆慧林 ， 叶校 圳 ，鹿 高 明
（ 尔 滨 工 业 大 学 能 源 科 学 与工 程 学 院 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ） 哈 ５０ １
摘 要 ：基 于 离 散 颗 粒 （ Ｐ Ｄ Ｍ） 硬 球 模 型 ， 数 值 模 拟 提 升 管 内 双 组 分 颗 粒 气 固 两 相 湍 流 流 动 行 为 。 应 用 Ｖｒｍａ ｅ ｎ
ｐ ｒ ｉ ｌｓ ｅ ｐｅ ｉ ｎｃｎｇ ｉｆ ｒ ｎｔ ａ ｃ ｌ ｒ ｔｏｎ ｓ ｒ ｏ ｅ ． ｂｉ ａ ｙ ａ ｔｃ ｅ ｘ ｒｅ ｉ ｄ ｆｅ ｅ ｃ ｅ ｅ ａ ｉ ｓ ｗａ ｐ ｏｐ ｓ ｄ Ａ ｎ ｒ ｍｉ ｕ ｅ ｏｆ ｐａ ｔｃ ｅ ｗｉｈ ｉｆ ｒ ｎ ｘｔ ｒ ｒ ｉｌ ｓ ｔ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｄｉｍ ｅ ｅ ｓ ｗａ ｓ ｄ ｉ ｈｅ ｓｍｕｌ ｔｏｎ ａｎ ａ ｅ ｎ ｒ ｉ ｎ ｗａｓｏ ｅ ｖｅ Ｎｕｍｅ ｉａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ｈｅ ａ ｔ ｒ ｓ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｉ ｄ ｌ ｙ ｒｉ ｖｅ ｓ ｏ ｂｓ ｒ ｄ． ｒｃ ｌｒ ｓ ｌｓ ｉ ｄｉａ ｅ ｈ ｔｔ
域颗粒浓 度高的环核流动结果 。随着表观气速 的增 大，颗粒浓 度沿径 向 和床高分 布趋于 均匀 。在 床 中心 区域模
拟 计 算 轴 向 颗 粒 速 度 、颗 粒 浓 度 和 ＲＭＳ速 度 与 文 献 实验 结 果 相 吻 合 。在 提 升 管 内气 体 湍 流 对 小 颗 粒 流 动 具 有 一
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的 亚 格 子 尺 度 （ Ｇ ） 模 型模 拟 气 体 湍 流 ，建 立 考 虑 不 同 颗 粒 加 速 度效 应 的 两 颗 粒 碰 撞 最 小 时 间 计 算 模 型 。 数 值 ＳＳ 模 拟 预 测 了大 颗 粒 和小 颗粒 的 速 度 和 浓 度 分 布 。研 究 结 果 表 明 小 颗 粒 具 有 高 的 轴 向 速 度 和 脉 动 速 度 ，而 大 颗 粒 具 有 低 的轴 向速 度 和脉 动 速 度 。在 床 中心 区域 ，小 颗 粒 轴 向 速 度 分 布 出 现 ３个 峰 值 ，对 于 大 颗 粒 轴 向 速 度 仅 出 现 两 个 峰 值 。在 壁 面 区 域 大 颗 粒 和 小 颗 粒 速 度 均 出现 两 个 峰 值 。沿 床 径 向方 向 呈 现 床 中 心 颗 粒 浓 度 低 、 壁 面 区
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第５ ８卷 第 ３ 期 ２０ ０ ７年 ３月
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定 的 影 响 ，颗 粒 间 碰 撞 作 用 对 颗 粒 相 流 动 的影 响 大 于 气 相 湍 流 的影 响 。 关 键 词 ：离 散 颗 粒 模 型 ；大 涡 模 拟 ； 组 分 ； 升 管 双 提 中图 分 类 号 ：ＴＱ ０ ６ ７ ２ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ３ — １５ （ ０７ ０ —０ ０ —０ ４８ １ ７ ２ ０ ） ３ ６ ８ ９
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｎ ｕ ｅ ｉａ ｉ ｕｌｔｏ ｓ ｐｅ ｆ ｒ ｄ ｏ ｈｅ ｔ ｒ ｓｒ ｃ ： ｍ ｒｃ ｌｓｍ ａ ｉ ｎ ｗａ ｒ ｏ ｍｅ ｎ ｔ ｕ ｂｕｌ ｎ ｌ ｗ ａ — ｏｌ ｔ ｎ ｒ ｘｔ ｒ ｅ ｔｆｏ ｏｆｇ ｓ ｓ ｉ ｗｉｈ ａ ｂｉ ａ ｙ ｍｉ ｕ ｅ ｏｆ ｄ
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