中气固流动和传热、传质的CFD模拟研究
《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》
《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言气固流态化是一种涉及气、固体颗粒相互作用的复杂过程，广泛应用于化工、制药、食品等工业领域。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）和离散元素法（DEM）的不断发展，CFD-DEM模拟方法在研究气固流态化过程中得到了广泛应用。
本文以A类颗粒的气固流态化过程为研究对象，利用CFD-DEM模拟方法进行了详细的分析和研究。
二、模型建立2.1 模型选择与建立本研究采用CFD-DEM方法，对A类颗粒的气固流态化过程进行模拟。
其中，CFD部分采用欧拉-拉格朗日法进行气相流场的计算，DEM部分则对固体颗粒进行离散处理。
通过建立合适的气相和颗粒相模型，实现对整个流态化过程的模拟。
2.2 模型参数设置在模拟过程中，需要对模型参数进行合理设置。
包括气相的物性参数（如密度、粘度等）、颗粒的物理特性（如粒径、密度、形状等）以及初始条件（如流场速度、颗粒分布等）。
这些参数的设置对模拟结果的准确性具有重要影响。
三、模拟过程与结果分析3.1 模拟过程在模拟过程中，首先建立流态化装置的几何模型，然后设置好边界条件和初始条件。
接着进行气相流场的计算和颗粒运动的模拟，最后得到整个流态化过程的模拟结果。
3.2 结果分析通过对模拟结果的分析，可以得到A类颗粒在气固流态化过程中的运动轨迹、速度分布、颗粒间的相互作用等信息。
同时，还可以分析流场中气体的速度、压力等参数的变化情况。
这些信息对于深入了解气固流态化过程的机理和优化工艺参数具有重要意义。
四、模拟结果与讨论4.1 运动轨迹与速度分布通过CFD-DEM模拟，我们得到了A类颗粒在气固流态化过程中的运动轨迹和速度分布。
颗粒在气流的作用下呈现出复杂的运动状态，包括平动、旋转等。
同时，颗粒间的相互作用也对运动轨迹和速度分布产生了影响。
这些结果有助于我们更好地理解颗粒在流态化过程中的运动规律。
4.2 气体流场参数变化模拟结果显示，在气固流态化过程中，气体流场的压力和速度等参数均发生变化。
新型气固环流反应器内颗粒流动的CFD模拟
Res > 1000
Re s
≤ 1000
(4)
Re s
=
ε
g
ρg
d p
v g
μg
−
v s
(5)
2 参数设置及模型验证
2.1 模拟条件 模拟装置如图 1 所示。反应器总高 3.5 m、筒
体尺寸为φ300 mm×7 mm，导流筒尺寸为φ219 mm×2 mm，高 1 m，在导流筒上对称开有 4 个矩 形槽孔。实验采用空气作为气相，平均粒径为 79 μm, 颗粒密度为 1498 kg·m−3 的 FCC 催化剂作为固相。 环隙区表观气速为 0.05 m·s−1（以环隙横截面积为 基准），导流筒区表观气速为 0.3、0.4 m·s−1 (以导 流 筒 横 截 面 积 为 基 准 ) 。 颗 粒 循 环 流 量 为 100 kg·m−2·s−1(以底端出料口截面为基准)。
中图分类号：TQ 052.5
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2016）08—3234—10
CFD simulation of particle flow in new type of gas-solid air loop reactor
MENG Zhenliang1,2, LIU Mengxi1, LI Fei2, WANG Wei2, LU Chunxi1
第 67 卷 第 8 期 2016 年 8 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.67 No.8
Aug·us3t223041·6
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160388
新型气固环流反应器内颗粒流动的 CFD 模拟
孟振亮 1,2，刘梦溪 1，李飞 2，王维 2，卢春喜 1
气固流的多尺度数值模拟技术研究
气固流的多尺度数值模拟技术研究随着工业领域的不断发展，气固流的研究越来越重要。
气固流的多尺度数值模拟技术是气固流研究中的一个重要领域，本文将从以下几个方面对气固流的多尺度数值模拟技术进行研究。
一、气固流的多尺度数值模拟技术概述气固流的多尺度数值模拟技术是指将气体和颗粒两个相互作用的流体系统中，对两个流体系统进行大、中、小尺度的模拟，以便更好的预测气固流动的行为。
这种技术通常需要采用多个不同的模型和算法来模拟气体和颗粒的多尺度过程。
在气固流的研究中，有两个特殊的问题需要解决：一个是气固流颗粒在气体中的动力学行为，另一个是气体和颗粒的热动力学耦合关系。
因此，多尺度数值模拟技术在解决这些问题方面具有很大的优势。
二、气固流颗粒在气体中的动力学行为颗粒动力学是气固流颗粒在气体中动态行为的数值模拟方法。
它是将颗粒看作一个个单体，用基于牛顿力学的动力学模型来研究颗粒的运动行为。
颗粒动力学的模型通常基于颗粒间的物理相互作用力，如排斥力、引力等。
通常采用Molecular Dynamics和Discrete Element Method两种方法来解决颗粒动力学问题。
其中，MolecularDynamics是一种基于粒子的方法，适用于小颗粒（直径小于几个纳米）的分子间相互作用力分析；而Discrete Element Method是一种基于颗粒的方法，适用于中小颗粒（直径在几个微米到几毫米之间）的颗粒动力学问题的研究。
三、气体和颗粒的热动力学耦合关系在气固流中，颗粒通常会受到气体的冲击和热力学影响。
因此，气体和颗粒的热动力学耦合关系是气固流动力学研究中的重要问题。
假设气体和颗粒的运动过程无阻力，那么气体与颗粒之间的能量转移是相互独立的。
然而，在实际气固流中，由于颗粒的动量在气体中的传递过程中受到气体的阻力和摩擦力的影响，因此，气体和颗粒之间的能量转移将发生变化。
在气体和颗粒的热动力学耦合关系的研究中，通常使用耦合方法和模型来解决它们之间的相互作用。
催化剂卸料分离过程中气固流动特性的CFD-DEM数值模拟
利 用 中心差 分法对 式（ ５ ） 进 行 数 值 积 分 ， 得 到 以两 次 迭 代 时 间步 长 的 中 心 点表 示 的更 新 速 度 为：
１ ． ２控 制 方程
离 散 单 元 法 的颗 粒 模 型 是 将 颗 粒 与 颗 粒 、颗 粒 与边 界 的接 触 采 用 振 动 方 程 进 行 模 拟 。将 颗 粒 接 触 过 程 的振 动运 动 进 行 法 向和 切 向分 解 ，颗 粒 接 触过 程 的法 向振 动运 动方 程为 ：
在 气 力 输 送 中 目前 常 用 到 的 分 离 装 置 有 容
材 料属 性及 模拟 过程 的相 关参 数如表 １ 所示。
表 １ 模 拟 过 程 相 关 参 数
参 数 数 值
积 式 分 离 器 、离 心 式 分 离 器 和 惯 性 式 分 离器 。 由 于 惯 性 式 分 离 器 的体 积 较 大 ，且 一 般 用 于 细 小 的 灰 尘 的分 离 ，所 以不 适 用 于 催 化 剂 卸 料 过 程 的分
第１ ２ 期
一 一 Βιβλιοθήκη 催 化剂卸料分 离过程 中气 固流动特性 的 Ｃ Ｆ Ｄ － Ｄ Ｅ Ｍ数值模拟
巢建伟 ，许进文
（ 常州大学机械工程 学院 ，江 苏 常州 ２１ ３ Ｏ ｌ ６ ）
［ 摘 要］ 以催 化剂卸料 工艺中气 固分 离装置为研究对 象，采用Ｃ Ｆ Ｄ － Ｄ Ｅ Ｍ ￣合的方法对其 内部气 固两相 流动特性进行 了分析研 究，通 过对 分 离器 内部 流场及颗粒 受力情况 的研究 ，表明容积式分 离装置在减 少颗粒二次破碎 以及颗粒分级方面有明显的优 越 性，对颗粒之 间碰撞行 为的研 究表 明：颗粒物料的均 匀程度 是影 响颗粒二 次破碎的另一个主要 因素。研 究结果对分 离装置 的研发 以及催化 剂卸料工艺的选择具有一定的指导意义。
气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟的开题报告
气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟的开题报告一、选题背景和意义气固流化床是一种重要的化工反应设备，具有大处理能力、高效、节能等优点，在化工、冶金、制药、食品等领域得到广泛应用。
气固流化床在反应器内部形成气固两相的流动，流体的运动方式、相互作用和流场的形态会影响反应速率和反应产物的选择性。
因此，研究气固流化床的流动特性对于提高反应器的性能和效率非常重要。
目前研究气固流化床的流动特性的方法主要有实验和数值模拟两种。
实验可以获得较为准确的流场和物理参数，但是费时费力成本高，且很难在反应现场进行。
数值模拟可以通过计算机计算快速得到流场的数值解，可以模拟不同的流动条件和反应器结构，预测气固流化床的运行情况，优化反应器的设计。
因此，开展气固流化床的实验研究和数值模拟研究具有十分重要的意义。
二、研究内容和方法本课题主要研究气固流化床的流动特性，通过实验和数值模拟相结合的方法，研究以下几个方面：1. 研究气固流化床的流态转换规律。
利用小型气固流化床实验装置，观察不同流态下气固两相的运动状态，并对流态转换的规律进行分析。
2. 研究气固流化床的流动特性。
通过实验测量不同床层高度、气体流速、颗粒直径等参数对流态的影响，研究气固流化床的动态特性、颗粒分布和床层压降等指标。
3. 基于数值计算，利用计算流体力学软件ANSYS Fluent建立气固流化床的数值模拟模型，分析流场结构和物理特性。
4. 通过比较实验和数值模拟结果，验证数值模拟的可靠性和准确性。
三、预期成果和意义通过本研究，可以深入了解气固流化床的流动特性和流态转换规律，对气固反应器的设计和优化提供可靠的理论和实验依据。
同时，本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，验证数值模拟的可靠性和准确性，为气固流化床的研究提供了一种新的方法和途径。
四、研究计划和进度第一年：完成文献调研和理论研究，设计实验方案，搭建小型气固流化床实验装置，完成气固流态转换的实验研究；第二年：完成气固流化床的流动特性实验研究，开展数值模拟计算，建立气固流化床的数值模型，分析流场结构和物理特性，并进行计算机模拟；第三年：比较实验和数值模拟结果，验证数值模拟的可靠性和准确性；完成研究报告的撰写和论文的发表。
CFD方法在固定床反应器传热研究中的应用_郭雪岩
第59卷 第8期 化 工 学 报 V ol .59 N o .8 2008年8月 Jo urna l of Chemical I ndust ry and Engineer ing (China ) Aug ust 2008综述与专论 CFD 方法在固定床反应器传热研究中的应用郭雪岩(上海理工大学动力工程学院,上海200093)摘要:固定床反应器是一种常见的化学和生化反应器,由于内部结构十分复杂,固定床内的局部流动和传热过程研究一直是一个颇具挑战性的问题。
有效参数法是长期以来固定床传热研究的常用方法,但是由于对固定床内温度场缺乏准确的了解,目前为止许多基于有效参数法的传热模型的普适性仍然存在问题。
计算流体力学(CFD )的数值模拟方法是近年来应用于固定床流动和传热研究的一种新的研究方法,它通过数值方法求解流动和传递的微分方程组而获得流场和温度场。
CFD 数值模拟方法能够提供精确的局部流动和传递信息如速度分布、压力分布、温度分布、组分浓度分布等。
本文综述和分析了CFD 方法在固定床反应器的流动和传热研究领域的最新进展,讨论了CFD 方法在该领域的应用前景。
关键词:固定床;CF D ;传热中图分类号:T Q 021.1 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)08-1914-09CFD m odeling of heat transfer in fixed bed reactorsGUO Xuey an(School o f Power Engineering ,University of S hanghai f or S cience and Technology ,Shanghai 200093,China )Abstract :Fixed bed reacto rs (FBRs )have been widely used in chemical and bio -chemicalpro cesse s .H ow ever ,lo cal flo w and heat transfer in fixed bed reactors have challenged researchers fo r a long period .Altho ug h the effective parameter me thods hav e been applied ex tensively to m odeling local heat transfer in fixed beds ,the g eneral validity of effectiv e paramete rs m odeling is still questionable due to the lack of full understanding of lo cal tempe rature fields in fixed beds .The co mputational fluid dynamics (CFD )technique is a new alternative to experimental appro aches to investiga te flow s and heat transfer in fix ed beds .It num erically solves the flow and /or transport go verning equations and o btains local informa tion like flow and temperature fields .In co ntrast to the averag ed values acquired w ith the conventional theoretical and ex perimental methods ,the results of CFD sim ulation are accurate local distributions of velocity ,pressure ,temperature ,specie concentration and so o n .The latest wo rk and pro gress in the field o f CFD modeling o f hea t transfer in fixed bed reactors we re reviewed and analyzed ,and also the perspectives of CFD application in fix ed bed modeling w ere discussed .Key w o rds :fix ed beds ;CFD ;hea t transfer 2008-05-27收到初稿,2008-06-20收到修改稿。
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。
大气科学中的气体流动模拟研究
大气科学中的气体流动模拟研究大气科学是一门研究大气环境现象和规律的学科，主要包括气象学、大气物理学、空气动力学等分支。
气象学是大气科学的核心，研究整个大气层及其与地球表面相互作用的物理过程和动力过程。
而大气物理学则是研究大气的物理性质，包括大气成分、结构和特性等方面。
空气动力学则研究物体在大气中的运动和受力情况。
在这些分支学科中，气体流动模拟研究是一个非常重要的领域，它有助于理解和预测大气中的运动规律和现象。
气体流动模拟研究是通过计算机模拟，模拟流体在不同条件下的运动和流动规律，从而得出流体的特性和运动态势。
在大气科学中，气体流动模拟研究主要应用于以下几个方面：1.气象预测气象预测是气象学的核心领域之一，通过气象预测可以了解未来一段时间的气象情况，包括气温、气压、降雨等。
气象预测的基础就是气体流动模拟，通过模拟大气中的气体流动，可以预测未来的天气变化和气象现象。
而且，气象预测也是很多行业决策和人们生活的重要依据。
2.空气质量研究空气质量是指大气中包含的气体、固体和液体等物质的浓度和组成情况，它是人类健康和环境保护的重要指标。
气体模拟研究可以帮助我们了解大气中的气体浓度分布和扩散规律，从而预测和研究空气污染的情况。
通过模拟和计算可以得出不同条件下，不同气体的浓度分布图，来实现对空气质量的监测和预测。
3.风能资源评估风能是一种清洁的可再生能源，采用风能作为能源的风力发电已经得到广泛应用。
在大气流动模拟中，可以模拟不同地区的风能状况，预测风能发电的可行性和效益，为风能资源的开发提供技术支持。
4.气动力学研究气动力学研究涉及到物体在空气中的运动和受力情况，是航空航天、汽车、火箭等领域必不可少的研究方向。
气体流动模拟可以帮助我们预测物体在大气中的运动轨迹和速度，评估空气动力学的性能和效益，并为相关领域的设计和制造提供技术依据。
总之，气体流动模拟研究在大气科学中具有非常广泛的应用前景，并且随着计算机技术的不断发展，气体流动模拟的计算能力和精度也在不断提高。
化学反应气固两相流传质传热研究进展分析
化学反应气固两相流传质传热研究进展分析气固两相流是一种重要的多相流动状态，广泛应用于化工、冶金、环境保护等领域中。
在这种流动状态下，气体相与固体相之间发生着传质与传热的过程，研究气固两相流的传质传热行为对于实现高效、节能、环保的化工过程具有重要意义。
本文将就化学反应气固两相流传质传热研究进展进行分析。
在化学反应气固两相流传质传热的研究中，研究者们主要关注以下几个方面：传质传热机理、数值模拟与实验研究、传质传热特性、传质传热过程的优化与增强。
首先，传质传热机理是研究气固两相流行为的基础。
在气固两相流中，固体颗粒上的次级蒸发、亚细胞内传质、气体颗粒的边界层传质等过程是传质传热机理的关键。
研究者们通过理论分析、模型建立和实验验证等方法，深入探究了这些机理，并提出了相应的传质传热模型。
其次，数值模拟与实验研究是研究气固两相流传质传热的重要手段。
通过数值模拟可以对气固两相流的传质传热行为进行分析和预测，为优化和设计工艺提供理论依据。
与此同时，实验研究可以验证数值模拟结果的准确性，并获取实际工艺中的传质传热数据。
这两种方法相互辅助，为气固两相流传质传热研究提供了可靠的数据支持。
第三，传质传热特性是研究气固两相流的重要内容之一。
研究者们通过实验和模拟手段研究了在不同气体流速、固体颗粒尺寸和形状、气体成分等条件下的传质传热特性。
发现了某些气固体系的传质传热特性与物料性质、流动状态等密切相关的规律，并提出了相应的数学模型来描述这种关系。
最后，传质传热的优化与增强是研究气固两相流的重要目标之一。
通过改变气体流速、固体颗粒尺寸和形状、操作条件等因素，可以提高气固两相流传质传热效率，减少能量消耗和环境污染。
研究者们利用优化理论和方法，通过模拟和实验探索了传质传热过程的优化与增强方法，并取得了一定的成果。
综上所述，化学反应气固两相流传质传热研究在很大程度上推动了化工过程的高效、节能、环保。
对于气固两相流传质传热机理的研究相信会有更深入的理解和认识，数值模拟与实验研究将会更加精确和可靠，传质传热特性的探索将会更加全面和准确，传质传热的优化与增强将会更加高效和定量。
CFD在燃烧过程中的应用研究
CFD在燃烧过程中的应用研究CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）是一种基于数值模拟和数学计算的工程方法，用于研究流体流动和传热传质等问题。
在燃烧过程中，CFD的应用越来越广泛，为燃烧技术的发展提供了有力的支持。
一、CFD的基本原理和方法CFD的基本原理是通过将流体连续性方程、动量方程、能量方程等转化为离散的数学方程，再通过数值方法求解得到流场、温场、浓度场等物理量的分布情况。
CFD方法具有计算精度高、计算速度快、适用范围广等优点。
二、CFD在燃烧过程中的应用1. 燃烧器设计优化CFD可以模拟和预测不同燃烧器的燃烧效果、燃烧稳定性和NOx等污染物的产生情况，为燃烧器的设计和优化提供指导。
通过调整燃烧室结构、燃料喷射位置和角度等参数，可以有效改善燃烧效率，降低排放。
2. 燃烧过程的温度和浓度分布通过CFD模拟，可以获得燃烧过程中温度和浓度的空间分布情况。
这对于燃烧实验的设计和参数优化具有重要意义，也有助于理解燃烧过程中的热传导、传质等物理机制。
3. 燃烧控制CFD可以帮助控制燃烧过程中的温度、氧气浓度、燃料加注量等参数，实现燃烧过程的稳定和控制。
通过控制燃烧器的进气量、燃料气化速率等参数，可以有效降低燃烧过程中的CO排放量。
4. 火灾事故的模拟与预测CFD还可以模拟和预测火灾事故中烟气和热传递的分布情况，有助于火灾场景的建模和灭火系统的设计。
通过CFD模拟，可以提前预测火势扩大的趋势，指导灭火操作和逃生策略的制定。
三、CFD在燃烧过程中的挑战与发展方向尽管CFD在燃烧研究中有着广泛的应用，但仍面临着一些挑战。
首先，燃烧过程涉及复杂的物理和化学反应，需要建立准确的燃烧模型和化学机制。
其次，CFD计算过程中需要耗费大量的计算资源和时间。
此外，CFD模拟结果的准确性和可靠性也需要进一步提高。
未来，随着计算能力的进一步提升和CFD技术的不断发展，CFD在燃烧过程中的应用将会取得更加突破性的进展。
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟
气固湍动流化床结构曳力模型的建立及其cfd模拟湍动流化床反应器因其气固接触充分、热质传递效率高、处理量大等优点，已广泛应用于化学和石油工业等诸多领域。
目前，湍动流化床的研究多集中在流动行为方面，传质行为的研究相对较少，传质行为的计算流体力学(putational fluid dynamics, cfd)模拟更是鲜有报道。
针对湍动流化床稀密两相均为半连续相的特性，本论文将其气固流动结构分为拟离散的气穴相和拟离散的聚团相，并使用cc，cd，csc，csd，cf和csf六个浓度参数描述湍动流化床的传质过程，从而根据质量守恒等原理建立基于结构的气固传质模型，最后通过cfd模拟验证气固传质模型的可靠性，并对湍动流化床的气固传质行为进行分析研究。
提出将湍动流化床的流动结构分为拟均匀的稀密两相，根据两相间质量守恒建立基于湍动流化床非均匀结构的气固传质模型的新思路。
首先，通过推导获得每一相的传质速率方程，将各相传质速率进行加和即可得总体传质速率，再结合平均传质速率定义，即可获得基于结构的湍动流化床传质系数的表达式，用于描述非均匀结构对湍动流化床气固传质的影响；其次，结合传质平衡原理、传质与反应的平衡关系等可得到一维和二维的组分输送方程，并实现传质方程所需六个浓度参数的封闭求解。
气固流动参数由基于结构的湍动流化床曳力模型求解，传质模型的数值模拟由商业软件fluent实现，以甲烷燃烧和臭氧分解实验结果对模拟结果进行校验，结果表明模拟结果与实验数据吻合较好，证明该传质模型具有较高的准确性。
通过模拟研究还发现，虽然甲烷浓度在催化剂浓度较高的位置会因化学反应消耗而降低，但组分流动以及扩散的影响使甲烷浓度与催化剂浓度之间不存在绝对的大小对应关系。
随着气速的增加，由于组分流入速率增加和停留时间变短，臭氧浓度有所增加，但因为气固传质得到强化，反应消耗的臭氧总量是增加的。
此外，稀密两相间的组分交换过程是臭氧分解反应的控制步骤。
本工作利用臭氧分解作为模型反应，通过以上的湍动流化床传质模型分析了传质模拟结果与相间传质系数求解关联式、气速的关系。
分叉流道中气固两相流动的实验研究和数值模...
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上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
THE EXPERIMENT RESEARCH AND NUMERICAL SIMULATION OF THE GAS-SOLID TWO PHASES FLOW IN FURCATED DUCT ABSTRACT
With the development of industrial technology and demand of environmental protection, it is necessary to separate industrial dust. Not only does industrial dust endanger human health, but destroy industrial equipments, and jeopardize the security of apparatus operation. In these circumstances, the inertial particle separation equipment —furcated duct will be explored in this paper, which has an advantage of no moving element and low pressure loss. It is very difficult to carry out experimental research and numerical simulation in the furcated duct because of the extremely complicated gas-solid turbulent flow. In this thesis, the high-speed photography technology can be used to get particle trajectory combined with image processing technology. The particle velocity can be measured by locating particles position in the particle trajectory images, which are processed with overlapping images technology. It can be concluded that the separation efficiency of particle is related to particle physical nature, structure and material of furcated duct, inlet air velocity and the velocity of particles and so on, the separation efficiency of lump corns is better than ball millets, which have the same density with corns, and with the increase of inlet velocity, all particles’ separation efficiency will be raised gradually. This is because On the basis of analyzing ball particle force balance and particle-wall impact model, gas-solid separation phenomenon is investigated by using standard k-ε turbulent model and discrete phase model (DPS). Also, the total pressure loss and particle separation efficiency are explored on different flow matching of three conditions. It can be demonstrated that the total pressure loss efficiency will increase rapidly when the inlet velocity of air is raised, and the pressure loss efficiency of clear-up flow passage will decrease more vastly than of the main flow passage with the increase of clear-up flow rate factor in the same inlet velocity of air. On the condition of small SCR, the back flow phenomenon can be observed in the scavenge duct, and the back flow domain will become small with the increase of SCR. In the aspect of
射流流化床煤气化炉中气固流动和传热、传质的CFD模拟研究
摘
要： 通过双 流体模 型对射 流流化床煤气化炉进行了 Ｃ （ ｏ ｕａ ｏａ ＦｕｄＤ ｎｍｉ ， ｍ Ｃ ｍｐ ｔｉｎｌ ｌｉ ｙ ａ ｃ 计算 流体力学 ） ｔ ｓ 模拟 。模拟 着重
分析 了流化床气化炉气 固流动的特性和传质 、 传热过程 。结果表 明 ， 流化床 中气 固两相 的传 热 、 质过程 与气体 和颗粒 的运 传
Ｋｅ ｒ ｓ Ｃ Ｄ；ｔ — ｕｄｍｏ ｅ； ｅ ｉｇｆ ｉｉ ｄｂ ｄｇ ｓ ｅ ； ｅｔ ｎ ｓ ｔ ｎｆｒ ｙｗｏ ｄ ： Ｆ ｗｏｆ ｉ ｄ ｌ ｊｔｎ ｕｄｚ ｅ ａｉ ｒ ｈ ａ ａ ｄｍａｓ ｒ ｓ ｌ ｔ ｌ ｅ ｉ ｆ ａ ｅ
气 固流化 床 中的气 固流 动特 性 ， 传热 、 质规律 传 是 流态 化基础 研究 的一 个重 要课题 。它们 直接 关 系 到工业 流化床 反应 器 的设计 、 反应 条件 的选 择 、 反应 进 程 的控制等 ， 获得 良好反 应效 果 的关键 之一 。 是
Ｔ ｉ ａ ０ ０ ０ ，Ｃ ｉ ） ａｙ ｎ ３ ０ １ ｈｎ ｕ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅｔ ｏｆ ｉ ｄｌ ｓ ｓｄｔ ｓ ｌ ｅ ｔｎ ｕｄｚｄｂ ｄｃ ａ ｇ ｓ ｅ ｔ ｔｅ ｕ ｐ ｒｏ Ｆ ｓｒ ｃ ： ｈ ｗ ｕｄｍｏ ｅ ｗａ ｅ ｉ ａ ｊ ｔ ｇｆ ｉｉ ｅ ｏ ｌ ａｉ ｒ ｈ ｈ ｐ ｏｔ ｆ Ｄ ｌ ｕ ｏ ｍｕ ｔ ａ ｅ ｉ ｌ ｅ ｆ ｗｉ ｓ ｉ Ｃ （ ｏ ｕ ｔ ｎｌ ｌｉ Ｄｙ ａ ｃ ）ｓｆ ａｅ ｈ ｄｌ ｇｒｓｌ ｏ ｅｂｈ ｖｏ ｆ ａ—ｏｉ ｆ ｗ ａ ｄｔｅ ｅｔ Ｃ ｍｐ ｔ ｉ ａ Ｆｕｄ ｎｍｉｓ ｏ ｗ ｒ．Ｔ ｅｍｏ ｅ ｎ ｕｔ ｆｒｔ ｅ ａｉｒ ｓｓｌ ｏ ｎ ａ ａｏ ｔ ｉ ｅ ｓ ｈ ｏｇ ｄｌ ｈ ｈ
流化床干燥设备中气固两相流动的研究进展
流化床干燥设备中气固两相流动的研究进展气固两相流动在流化床干燥设备中起着重要的作用。
流化床干燥设备是一种常用的工业设备，广泛应用于化工、冶金、食品、医药等领域。
在流化床干燥设备中进行气固两相流动的研究，对于提高设备的干燥效率、降低能耗、改善产品质量具有重要意义。
气固两相流动是流化床干燥设备中的核心过程之一。
在流化床干燥设备中，气态的干燥介质通过喷嘴或旋转臂进入设备，与固体颗粒进行充分的接触和混合，使固体颗粒从内部吸收水分，实现干燥的目的。
在这个过程中，气态介质的流动特性有着重要的影响。
研究表明，气固两相流动的研究进展主要体现在以下几个方面。
首先，研究人员对气固两相流动的基本特性进行了深入的研究。
他们通过实验和数值模拟等方法，探究了气态介质在流化床中的流速分布、压力分布和温度分布等相关性质。
这些研究结果为进一步优化流化床干燥设备的操作参数提供了理论基础。
其次，研究者对气固两相流动的传质过程进行了详细的研究。
在流化床干燥设备中，气态介质通常扮演着传递热量和质量的角色。
研究人员通过实验和数值模拟等手段，研究了传热传质机制、传质速率和传质系数等关键参数，并提出了一些改进的方法来提高干燥效率。
此外，研究人员还关注了气固两相流动的流态转换过程。
在干燥过程中，气固两相流体可能处于不同的流态，如床层流态、气泡流态和涡流态等。
研究者通过实验和数值模拟，揭示了不同流态之间的转换机制和条件，并提出了一些改进的方法来优化设备的操作效率。
此外，研究者还在气固两相流动的实际应用中取得了一些进展。
例如，在干燥剂选择、干燥介质的循环利用和设备结构优化等方面，研究者提出了一些创新性的方法和理念，以提高设备的干燥效率和产品的质量。
综上所述，流化床干燥设备中气固两相流动的研究进展涉及了流动特性、传质过程、流态转换及相关应用等多个方面。
这些研究成果为改进流化床干燥设备的操作参数、提高干燥效率和优化产品质量提供了重要的理论和实践指导。
未来，需要进一步加强理论研究与实际应用的结合，以推动流化床干燥设备的进一步发展和创新。
基于CFD的气固两相流数值模拟研究
基于CFD的气固两相流数值模拟研究随着工业发展和机械化程度的提高，气固两相流的研究变得越来越重要。
气固两相流的运动规律和作用机理在流体力学、环境工程、化工等领域具有重要的应用价值。
而气固两相流的实验研究受限于设备条件和成本，因此数值模拟成为了研究气固两相流的重要手段之一。
基于CFD的气固两相流数值模拟研究，是对气体和固体颗粒的运动机理和相互作用规律进行模拟和研究的过程。
该领域涉及流动场、颗粒场和相互作用场等多个方面，具有较为广泛的应用场景。
1. 基于CFD的气固两相流数值模拟技术气固两相流数值模拟技术是指应用数值模拟方法，通过物理数学模型求解控制方程，模拟介质内气体和固体颗粒的运动规律和相互作用，揭示气固两相流的机理和规律的一种技术手段。
CFD对于气固两相流数值模拟的研究始于上世纪80年代，随着计算机硬件和计算技术的快速发展，气固两相流数值模拟的研究范围和深度也得到了大幅提升。
目前，基于CFD的气固两相流数值模拟技术已广泛应用于工业流动、环境污染、燃烧、化工、生物医学等领域。
2. 模型构建及数值求解方法2.1 模型构建模型构建是基于CFD的气固两相流数值模拟的重要组成部分。
在CFD程序中，气体和固体颗粒的运动分别由Navier-Stokes方程和运动方程描述。
而气固两相流的相互作用包括颗粒与气体的相互作用、颗粒之间的相互作用和气体之间的相互作用。
通过建立适当的控制方程组，根据不同的气固流体力学问题，可以对运动的介质、生成和消失以及物理外力进行全面的模拟和分析。
2.2 数值求解方法数值求解方法通常采用有限差分法、有限体积法、有限元法、边界元法、谱方法等。
其中有限差分法和有限体积法常用于求解Navier-Stokes方程、热传导方程等传输方程，而有限元法和边界元法常用于求解固体颗粒的运动方程。
此外，谱方法因其精度高，对数值粘性的限制小，也逐渐得到了广泛应用。
3. 应用场景气固两相流数值模拟技术在众多领域中有着广泛的应用，其中主要包括了以下几方面：3.1 工业流动领域工业流动领域是气固两相流数值模拟的主要应用场景之一。
《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》
《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言在过去的几十年里，气固流态化过程在许多工业应用中发挥着至关重要的作用，包括化学反应、物料混合、干燥和冷却等过程。
然而，理解其复杂多变的流体力学行为和混合现象仍面临挑战。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）和离散元素法（DEM）的发展，计算机模拟成为研究这一领域的重要工具。
本文旨在研究A类颗粒在气固流态化过程中的行为，通过CFD-DEM模拟来分析其动态特性和流动行为。
二、CFD-DEM模拟方法CFD-DEM是一种耦合计算流体动力学和离散元素方法的模拟方法，适用于模拟颗粒在流体中的复杂运动。
在CFD部分，通过求解流体动力学方程来描述流体的流动行为。
而在DEM部分，通过考虑颗粒间的相互作用和颗粒的物理特性（如形状、大小和材料属性）来模拟颗粒的运动。
三、A类颗粒气固流态化过程模拟在本研究中，我们采用CFD-DEM方法对A类颗粒的气固流态化过程进行模拟。
首先，我们构建了模拟的物理模型，并设定了合适的边界条件和初始条件。
然后，我们通过CFD模块来模拟流体的流动行为，通过DEM模块来模拟颗粒的运动和相互作用。
在模拟过程中，我们重点关注了颗粒的流态化过程、颗粒间的碰撞行为以及颗粒的分布状态。
通过模拟结果，我们可以观察到颗粒在气流作用下的运动轨迹和运动速度的变化，以及颗粒间的碰撞过程。
同时，我们还关注了流态化过程中颗粒的分布状态和空间结构的变化。
四、结果与讨论通过对A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟，我们得到了丰富的结果。
首先，我们发现颗粒在气流作用下的运动轨迹受到多种因素的影响，如颗粒大小、气流速度和方向等。
其次，我们观察到颗粒间的碰撞行为对流态化过程具有重要影响，它影响着颗粒的分布状态和空间结构。
此外，我们还发现气流速度和压力的变化对流态化过程的稳定性有显著影响。
与已有实验研究相比，我们的CFD-DEM模拟结果具有较好的一致性。
同时，我们也注意到在实际工业过程中，可能会存在其他因素对流态化过程产生影响，如温度、湿度和颗粒间的相互作用力等。
气固两相流动数值模拟的研究现状
气固两相流动数值模拟的研究现状随着计算机技术的不断发展，数值模拟已经成为各行各业不可或缺的一部分。
气固两相流动数值模拟也是其中一个研究热点。
本文将介绍气固两相流动数值模拟的研究现状，分别从模拟方法、数值算法和应用角度进行讨论。
一、模拟方法气固两相流动数值模拟主要有欧拉模型、拉格朗日模型和欧拉-拉格朗日混合模型三种方法。
欧拉模型是指在欧拉坐标系下求解两相流动方程，它假设两相之间没有相互作用力，只考虑了两相之间冲击和摩擦力产生的力。
由于忽略了气固两相间的相互作用，欧拉模型不能准确反映气固两相间的相互作用，但因其计算量小、模拟速度快而被广泛应用于大规模的流动。
拉格朗日模型则是指跟随着固体颗粒的轨迹对气固两相流动进行模拟。
它通过计算颗粒的运动状态来反演气相的运动状态，实用性非常强。
但由于需要对大量的棱柱单元进行大规模遍历，对数值计算能力的要求很高，且不便于进行精细的高速流动模拟。
欧拉-拉格朗日混合模型是将欧拉模型和拉格朗日模型相结合，既能考虑颗粒在气相中的运动状态，又可以有效地计算数值。
欧拉-拉格朗日混合模型是目前气固两相流动数值模拟中应用最广泛的方法。
二、数值算法气固两相流动数值模拟的数值方法主要包括离散相方法、连续相方法和混合粒子模型。
离散相方法通过计算颗粒的运动轨迹和分析颗粒间的相互作用来反演气相的运动状态。
离散相方法精度非常高，因此在多相流动领域得到广泛的应用。
但由于离散相方法在计算机内存和计算速度上要求较高，且难以处理颗粒间相互作用力的问题。
连续相方法则通过对流体的宏观流动进行建模，从而求解动量、热量和质量传输方程式。
它的计算规模和内存要求相对较小，但因为无法考虑颗粒间的相互作用力，因此在流固两相流动的模拟中应用相对较少。
混合粒子模型是墨西哥Lopez等人于1990年提出的一种基于流体-颗粒耦合的新方法。
它综合了离散相方法和连续相方法的优点，既可以考虑颗粒之间的相互作用，也可以考虑气相的宏观流动，是气固两相流动数值模拟的前沿研究方向之一。
基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究
基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究多孔介质流动与传热是工程领域中一个重要的研究课题。
随着计算流体力学（CFD）的发展，基于CFD的多孔介质流动与传热模拟成为一种被广泛使用的方法。
本文将对基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究进行探讨，并介绍其在不同领域的应用。
首先，让我们先了解一下多孔介质的特性和流动与传热机制。
多孔介质是由固体颗粒组成的，其中存在一定的孔隙率。
多孔介质中流体的流动行为受到复杂的物理和数学模型的影响，例如渗流和对流传热等。
在进行多孔介质流动与传热模拟研究时，CFD方法能够模拟和预测复杂的流体流动和传热过程。
通过建立流体流动和传热的基本方程，结合合适的边界条件和物理模型，可以使用CFD软件进行模拟分析。
多孔介质流动与传热模拟研究的应用领域非常广泛。
其中包括地下水资源开发与管理、油田开发与石油工程、环境工程、建筑工程、能源利用优化等。
下面我们将重点介绍其中几个典型的应用领域。
首先是地下水资源开发与管理。
随着城市化进程的不断发展，地下水资源的合理开发和管理显得尤为重要。
基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究可以帮助我们了解地下水的流动规律，预测地下水位变化，评估地下水资源的可持续性利用等。
这对于地下水资源的科学管理和合理利用是非常有帮助的。
其次是油田开发与石油工程。
在油田开发和石油工程中，多孔介质中的流动与传热是一个重要的问题。
通过基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究，我们可以了解油田储层中的流体流动规律、油气的迁移与聚集机理等。
这对于油田开发的工艺优化、增油效果的提升等方面都具有重要意义。
另外一个应用领域是环境工程。
环境污染问题是当前社会面临的严重挑战之一。
基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究可以帮助我们了解污染物在多孔介质中的传输和迁移规律，为环境污染治理提供重要的科学依据。
此外，基于CFD的多孔介质流动与传热模拟研究还在建筑工程、能源利用优化等领域发挥着重要作用。
在建筑工程中，了解室内空气的流动和热传输对于设计和改善建筑的舒适性非常重要。
CFD技术在气体流动中的应用
CFD技术在气体流动中的应用CFD技术是计算机模拟气体流动的一种重要方法。
它可以通过数值计算和数学模型模拟气体在流动过程中的各种现象，如流体力学、热传递、物质输运等。
CFD技术广泛应用于工程和自然科学领域，如航空、汽车、化工、能源等。
在气体流动领域中，CFD技术也有着不可替代的作用。
一、CFD技术的基本原理和模型CFD技术的基本原理是通过在计算机上模拟流体的运动方程，来预测气体流动的各种现象，如速度、压力、温度、密度、浓度等。
CFD技术的模拟对象通常是连续介质。
在求解流体动力学方程和能量方程时，需要引入一些数学模型，如雷诺平均、湍流模型、压力-速度耦合等。
这些模型的选择和适用性会直接影响模拟结果的准确性和可靠性。
二、CFD技术在气体流动领域的应用案例CFD技术在气体流动领域的应用案例非常丰富。
以下是几个比较典型的例子。
1. 气体流动仿真分析CFD技术可以用于模拟气体在流动过程中的各种现象，如气团的扩散、气体在管道中的流动、空气在通风系统中的流动、涡流对物体的影响等。
在模拟流动过程时，可以通过调整模型参数和边界条件等来模拟各种不同的气体流动现象，从而为工程设计和优化提供依据。
2. 气体传热和传质分析CFD技术可以用于模拟气体在传热、传质过程中的各种现象，如火焰传热、物质传输、气体化学反应等。
这对于化工、燃气、环保等领域的工程设计和研发非常重要。
通过模拟和优化气体的传热和传质过程，可以提高效率、减少能源消耗和污染排放。
3. 气体动力学分析CFD技术还可以用于模拟气体在流动过程中的动力学特性，如流体力学、压力变化、阻力、气流分离等。
这对于设计和研发各种流体机械、飞行器、车辆等具有重要意义。
三、CFD技术的优缺点CFD技术具有许多优点和不足之处，需要在具体应用中进行权衡和取舍。
1. 优点（1）CFD技术可以快速模拟气体流动现象，对于大规模、复杂的气体流动系统尤为适用，节省了大量的实验和时间成本。
（2）CFD技术可以提供详细的流场信息，包括速度、压力、温度等参数的分布情况，为工程设计提供了有力的依据。
流化床干燥设备中气固两相流动的实验研究
流化床干燥设备中气固两相流动的实验研究随着科技进步和工业发展的推动，物料及生产过程的改进已成为追求高效和优质生产的必然要求。
在许多工业领域，干燥过程是一个重要的步骤，它对于物料的质量和工艺效率具有至关重要的影响。
干燥技术的不断发展和创新有助于提高物料的干燥速度和质量，并降低能源消耗。
其中，流化床干燥设备作为一种常见而重要的干燥设备，已经受到广泛关注。
在流化床干燥设备中，气固两相流动的研究对于提高干燥效果和优化设备运行至关重要。
气固两相流动是流化床干燥设备中一种常见的流动形式。
在流化床干燥设备中，物料被干燥的同时，气体以一定的速度通过床层，与物料颗粒发生气固两相流动。
这种气固两相流动的特点是流体具有较高的流动速度，可以实现物料的混合、传质和传热，从而提高干燥速度和质量。
实验研究是深入了解和优化气固两相流动的重要方法之一。
通过实验研究，可以获得气固两相流动的基本参数和特性，为流化床干燥设备的设计和优化提供依据。
在进行实验研究时，需要选择适当的实验装置和测量方法，以获取准确和可靠的实验数据。
在进行气固两相流动的实验研究时，首先需要确定实验的目标和研究内容。
比如，在流化床干燥设备中，可以研究气体的流速对气固两相流动的影响，物料的入口湿度对干燥效果的影响等。
然后，需要选择合适的实验装置和测量方法。
常用的实验装置包括流化床干燥设备、压力传感器、温度传感器等。
通过这些实验装置，可以获取气体和颗粒物料的压力、温度、湿度等参数，进一步分析和研究气固两相流动的特性。
在实验过程中，需要注意一些实验技巧和操作细节。
首先，需要选择合适的物料和颗粒粒度，以及合适的气体流速。
物料的选择应符合实际应用的要求，颗粒粒度的选择应考虑物料的性质和干燥速度的需求。
气体流速的选择应根据实验研究的目标和要求确定。
其次，需要进行实验前的准备工作，包括清洁实验装置、校准传感器等。
在实验过程中，需要及时记录和监测实验数据，保证实验数据的准确性和可靠性。
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图１气泡运动一周期时流化床气化炉内的气体体积分率 分布
Ｆｉｇｕｒｅ Ｉ
Ｇａｓ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｇａｓｉｆｉｅｒ
图１的流动状态以气体体积分率（即：空隙率） 的分布云图来表示，其中射流和气泡用气体体积分 率０．７８的封闭实线标出。由图１可知，从环管通入 的高速气流在分布板底部形成射流，射流内固含率 很低。射流不断长大变长，当长形的射流上端达到 约０．１ ｍ时，射流的底部收缩，同环管发生分离，一 个单独的气泡就形成了。气泡不断上升并发生变 形，由椭圆变成近似圆形。最后气泡到达床层表面 发生破裂。气泡上升的同时，另一个射流又在环管 上方形成，整个过程进入下一个周期。
之间的传热一般均可忽略。流化床主要的传热是发 生在气体和颗粒之间的对流传热。
同时需要指出的是，实验所研究的流化床气化 炉内的传质并不是气固之间的质量交换，而是指气 泡引起的气体交换。 ３．２．１ 射流流化床气化炉中的传热过程 衡量气 固之间的对流传热采用传热系数ｈ，ｈ可以通过 Ｎｕｓｓｅｌｔ准数表示为：ｈ＝ｈ（Ｎｕ）＝ＡＮｕ／ｄ，【８１。其 中Ｎｕ为无因次Ｎｕｓｓｅｌｔ准数；Ａ为气体导热系数； ｄ，为颗粒粒径。可以通过计算Ｎｕ来考察射流流化 床气化炉内部的传热特性。
流从底部环管进入形成射流，射流内富含的氧发生 燃烧反应从而形成局部高温区。而作为气化剂的水
力学（ＣＦＤ）数值模拟则可以避免直接测量所遇到 的困难。ＣＦＤ通过建立流体力学模型，数值求解流 场中的变量，并对计算结果进行图形化处理来实现 反应器的模拟研究。因此，对流化床进行ＣＦＤ模拟 可以掌握气固流场相关的所有信息，并且以图像的 方式直观地反映出来。这为揭示和分析流化床中复 杂的现象和规律提供了很大的帮助。目前，ＣＦＤ模 拟技术在流化床反应器的设计、开发优化、放大等方 面具有广阔的应用前景。
为更深入地分析该流化床气化炉的气泡动力学 行为，图２给出了气化炉内气体速度矢量分布和压 力分布，气泡和射流同样以气体体积分率为０．７８的 封闭实线在图上标出。
攀攀攀摹擎
Ｆｉｇｕｒｅ ２
图２气泡运动一周期时流化床气化炉内的气体速度和压力分布 Ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｇａｓｉｆｉｅｒ
当流体以相对速度Ⅱ。流过一直径为ｄ，的颗粒 时，Ｎｕｓｓｅｌｔ准数被认为是颗粒Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数（Ｒｅ＝ Ｕｇｄｐｐ。乍，颗粒粒径ｄ，作为特征尺寸）和Ｐｒａｎｄｔｌ数 （Ｐ，＝肛ＣＰ／ｋ，ＣＰ为流体比热）的函数：Ｎｕ＝Ｎｕ（Ｒｅ， Ｐｒ）【９ Ｊ。本文选用Ｒａｎｚ—Ｍａｒｓｈａｌｌ关联式¨刨（Ｎｕ＝２ ＋０．６Ｒｅ ０。５Ｐｒｏ ３（Ｒｅ＿＜２００，Ｐｒｓ２５０）来计算。虽然 该式是针对单个圆球颗粒与流体间的换热提出的， 但是由于流化床中气固传热的研究还不完善，许多 研究者还是引用它来作近似计算。
第３６卷第３期 ２００８年６月
燃料化学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｈｅｍｉｓ仃ｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．３６ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００８
文章编号：０２５３－２４０９（２００８）０３－０３６０－０５
射流流化床煤气化炉中气固流动和传热、传质的ＣＦＤ模拟研究
高 鹃，吴晋沪，王 洋
（中国科学院山西煤炭化学研究所煤气化工程中心，山西太原０３０００１）
ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ａ ｊｅｔｔｉｎｇ
ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｅｒ
ＧＡＯ Ｋｕｎ，ＷＵ Ｊｉｎ—ｈｕ，ＷＡＮＧ Ｙａｎｇ （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，
模型中涉及到的化学反应及其速率方程式”１ 如下：
Ｃ＋（２一ｔ３）／２０２一ＢＣＯ＋（１一ｐ）Ｃ０２
拟。模拟结果揭示了此射流流化床床体结构下，气 化炉内的气固流动行为和传热、传质特性；并深入探 讨了气固流动对传热、传质的影响。
（Ｒ１）
ｏ．５
ｒ。＝１．１６×１０４ｅｘｐ（一１６８０００／ＲＴＰ）［０２
Ｃ＋ｄＨ２０叫（２一Ｑ）ＣＯ＋（ｑ一１）Ｃ０２＋仅Ｈ２
３６１
一丁２ ｎ五ｋ而Ｈ万０丌百ｋ丽丁■ｋ；丽Ｃ０× ｄ［Ｈ：０］
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ｌ＋。ｌ ， 】＋，Ｉ Ｈ，『＋。Ｉ
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图１为射流流化床气化炉内射流和气泡发生、 发展的周期过程。
詈ｘ Ｏｔ（１一ｘ）
Ｃ＋Ｃ０２—２Ｃ０
（Ｒ３）
一一掣Ｔ＝币箍等丽老”ｘ， ２ ｎ瓦雨万丌瓦而可丽Ｌ卜五，
ＣＯ＋Ｈ２０一Ｃ０２＋Ｈ２ （Ｒ４）
燃料化学学报
第３６卷Βιβλιοθήκη 流）尾部会对周围流场中的气体发生卷吸，结果气 泡（射流）中的气体从气泡顶部流出，从底部流入， 发生循环对流运动。在气体循环对流运动的带动 下，固相颗粒也会产生类似的运动方式：图３为气 泡运动一周期时流化床气化炉内的颗粒速度分布。 由图３可知，颗粒在气泡（射流）的尾部随气流被卷 入气泡，在顶部又随气流被带出。
布云图见图５。比较图４和图５可以看到，Ｎｕ云图 分布的形状与Ｒｅ的十分相似，说明Ｎｕ的变化受到 Ｒｅ的影响。进一步分析尺ｅ，其定义为：Ｒｅ＝ ｕ。ｄｐｐ。仙。由于．ｐ。亿在所研究的温度范围内相对 于Ｕ。变化较小，所以胁的主要影响因素为“。。因 而Ｎｕ也主要受到气速的影响。气泡（包括射流）的
弱，从而气固对流传热增强，传热系数提高，所以气 泡（包括射流）及其周围成为气固交换的核心区域。
流化床进入稳定状态后进行的。
该软件在整个计算域中采用控制容积法获得全
隐式的离散线性方程组，同时对整个方程系统采用
耦合算法求解。这种算法可以减少叠代的步数，提
高收敛的速度，但是对计算的存储量要求较高。
３结果与讨论
３．１射流流化床气化炉的气泡动力学行为 不同 结构的流化床或者相同流化床不同的操作条件都会 使床中的气泡表现出不同的流动形式。在本实验所 研究的流化床气化炉中，由于底部锥形分布板和环 管的存在，床中的气泡运动呈现出周期性，周期约 ０．１７ Ｓ，见图１～图３。
（Ｒ２）
收稿日期：２００７－０８—１３；修回日期：２００７—１２—１６。
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ＫＧＣＸ２－ＳＷ．３０８）；中国科学院海外杰出学者基金。
作者简介：高鸱（１９７７．），女，博士生，ｇａｌｌ－ｇａｏ＠ｓｘｉｃｃ．Ｒｃ．ｃｒｌ。
第３期
高鸥等：射流流化床煤气化炉中气固流动和传热、传质的ＣＦＤ模拟研究
图３气泡运动一周期时流化床气化炉内的颗粒速度分布
Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｇａｓｉｆｉｅｒ
３．２射流流化床气化炉中的传热、传质过程 由于 存在着强烈的颗粒返混，一般来说，流化床内颗粒的 温度是均匀的，而且由于颗粒的尺寸较小，颗粒内的 温度也可以认为是均匀的，所以颗粒自身以及颗粒
图４为气泡运动一周期内流化床气化炉中Ｎｕ 的分布状况。
Ｆｉｇｕｒｅ ４
图４气泡运动一周期时流化床气化炉内Ｎｕ的分布
Ｎｕ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｇａｓｉｆｉｅｒ
图４中气泡以气体体积分率等邗．７８的黑色实 运动速度显然高于周围环境的气速。同时由于气泡
ｋｌ
，Ｐｃ０２Ｐｎ２、
‘２面矛ｏｐｃ印Ｈ２０—１＝＝－’
其中：ｄ＝１．２５，Ｂ＝０．８
应用商业ＣＦＤ软件ＣＦＸ５．７针对流化床进行
了三维的瞬态模拟，网格单元数约５ ９００个。边界
条件中流化床的边壁对颗粒相来说处理为完全滑移
模型，而对于气相为无滑移模型。化学反应动力学
以源项的方式写入模型方程。模拟结果的分析是在
到＿Ｔ业流化床反应器的设计、反应条件的选择、反应
床煤气化炉的研究工作为本文的ＣＦＤ模拟提供了
进程的控制等，是获得良好反应效果的关键之一。
基础。模拟的射流流化床气化炉的结构参数、物料
流化床中气体和颗粒的混合十分剧烈，准确地 性质及操作参数详见参考文献＂。。炉内高速空气
测定气、固相温度，传热、传质系数等从测试技术上 来说具有一定的困难。１。。对流化床进行计算流体
Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｗｏ ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ａ ｊｅｔｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ＣＦＤ （Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｈｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ
线标出。从图４中可以看到，强换热的区域（即：Ｎｕ 顶部、底部压力的变化，气体在其上部流出，下部被
值较大）是以气泡为核心围绕气泡分布，并且该区 卷吸，气速都得到加速。气速的增加，促进了气固混
域随气泡的上升而向上迁移，随气泡形状的改变也 合，加强了湍流的程度，使得颗粒表面边界层被削
发生变形。 为了探讨上述现象的原因，将Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的分
本研究在前期工作的的基础上【２“１，利用ＣＦＤ 双流体模型对一小型射流流化床煤气化炉进行模
蒸气低速从分布板通过，造成炉内煤焦颗粒流化并 发生气化反应。气化炉的初始温度设为１ １７３ Ｋ。