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本科毕业设计(论文)鼓泡流化床内物料运动的随机性碰撞模型及CFD模拟研究学院：机械学院专业：过程装备与控制工程班级：学号：学生姓名：指导教师：提交日期：2021年月日鼓泡流化床内物料运动的随机性碰撞模型及CFD模拟研究学生姓名：导师姓名：摘要鼓泡流化床广泛用于化工、冶金、能源、食品及制药等领域，但目前设计的鼓泡流化床还不能完全满足越来越高的技术要求，主要原因在于对床内的气-固流动特性，特别是颗粒的运动规律没有完全深化的认识。
欧拉-拉格朗日方法直接跟踪求解每个颗粒的运动状况，从而可以得到颗粒运动的详细特征，因此成为当前研究气固两相流动的热点。
本文的主要工作是在欧拉-拉格朗日方法根底上，对硬球颗粒的碰撞模型进展修改，通过采用随机参数代替确定性参数，建立颗粒碰撞的随机性硬球模型，从而模拟真实颗粒的不规那么外形和粗糙外表的影响。
通过CFD模拟，初步进展了比拟分析，发现采用随机性模型后，颗粒的平动能降低，而转动能略有增加，能量分配的不均匀性减弱。
关键词鼓泡流化床，硬球模型，随机性模型，CFD模拟，颗粒碰撞目录第一章绪论................................................ - 5 -1.1 背景................................................. - 5 -1.2 国内外研究现状....................................... - 5 -1.2.1 鼓泡流化床锅炉技术的新开展..................... - 7 -1.2.2 数值模拟的研究................................. - 8 -1.3 存在的问题........................................... - 9 -1.4 研究内容............................................ - 10 - 第二章理论模型........................................... - 11 -2.1 欧拉-拉格朗日离散颗粒模型........................... - 11 -2.1.1 硬球模型...................................... - 11 -2.1.2 随机性模型.................................... - 11 -2.1.3 气固流动的相间耦合............................ - 12 -2.2 硬球碰撞动力学模型.................................. - 13 -2.2.1 颗粒的碰撞条件................................ - 13 -2.2.2 颗粒的碰撞时间................................ - 14 -2.2.3 考虑加速度.................................... - 14 -2.2.4 碰撞动力学.................................... - 16 -2.3 硬球碰撞随机性模型................................. - 18 -2.4 CFD计算流程图....................................... - 19 -2.4.1 算法描绘...................................... - 19 -2.4.2 计算流程...................................... - 19 - 第三章模拟结果与讨论..................................... - 23 -3.1 模拟工况............................................ - 23 -3.2 颗粒瞬时运动图...................................... - 24 -3.3 平均速度分布图...................................... - 25 -3.4 随机性模型与确定性模型的比拟........................ - 25 -3.4.1 平动能........................................ - 25 -3.4.2 旋动能........................................ - 26 -3.4.3 平动能与旋动能之比........................... - 27 -3.4.4 同一高度轴向速度的比拟....................... - 28 - 第四章结论............................................... - 29 -第一章绪论1.1 背景随着人们对能源需求量的日益扩大以及对环境质量要求的不断进步，作为近年来国际上开展起来的新一代高效、低污染的清洁燃烧技术，流化床已广泛应用于污泥处理、垃圾燃烧、煤燃烧、化工等等领域。
反应器设计中的流动特性与优化研究动态分析在化学工程、生物工程以及许多其他相关领域中，反应器设计是至关重要的环节。
而其中，对反应器内流动特性的深入理解以及相应的优化策略，更是决定反应器性能和效率的关键因素。
近年来，随着科学技术的不断进步和研究方法的日益丰富，关于反应器设计中流动特性与优化的研究取得了显著的进展。
流动特性对于反应器的性能有着多方面的影响。
首先，它直接关系到反应物的混合程度。
均匀的混合能够促进反应的进行，提高反应的选择性和转化率。
如果流动不均匀，可能会导致局部反应物浓度过高或过低，从而影响反应的效率和产物的质量。
其次，流动特性还会影响传热过程。
良好的流动能够确保热量均匀分布，避免局部过热或过冷，维持适宜的反应温度条件。
此外，流动特性还对传质过程有着重要作用，影响着物质在相界面之间的传递速率。
在研究流动特性时，实验方法一直是不可或缺的手段。
传统的实验方法包括使用各种测量仪器，如流速仪、浓度传感器等，来直接获取反应器内的流动参数和物质浓度分布。
然而，这些方法往往存在着一定的局限性，例如只能测量有限的点或区域，难以全面反映整个反应器内部的流动情况。
近年来，随着先进测量技术的发展，如粒子图像测速技术（PIV）和激光诱导荧光技术（LIF）的应用，使得对反应器内流动的全场测量成为可能。
这些技术能够提供更加详细和准确的流动信息，为深入理解流动特性提供了有力的支持。
与此同时，数值模拟方法在反应器流动特性研究中也发挥着越来越重要的作用。
通过建立数学模型和使用计算流体力学（CFD）软件，可以对反应器内的流动进行模拟和预测。
与实验方法相比，数值模拟具有成本低、效率高、能够模拟复杂工况等优点。
它可以在短时间内获得大量的流动数据，并对不同设计参数和操作条件下的流动特性进行分析和比较。
然而，数值模拟也存在着一些不足之处，例如模型的准确性和可靠性需要通过实验数据进行验证，对于某些复杂的物理化学过程，建模难度较大等。
鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟王帅;于文浩;陈巨辉;张天浴;孙立岩;陆慧林【摘要】鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中，而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键。
在鼓泡流化床中，气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构，而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差。
基于此，以气泡作为介尺度结构，建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件，构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型。
结合双流体模型，对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究，分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律。
研究表明，与传统的曳力模型相比，考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带，建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系。
通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现，考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果。
通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现，A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著。
%Bubbling fluidized beds have been widely applied to various industrial processes owing to superior inter-phase contact and high heat transfer characteristics. Fundamental knowledge of the hydrodynamic characteristics is essential for the design of such reactors. In bubbling fluidized bed systems,the non-uniform flow structure in the form of bubble-emulsion phases makes the accuracy of numerical model limited. Bubbles are the typical meso-scale structures in bubbling fluidized beds.To describe the effects of such meso-scale structures, a bubble structure-dependent (BSD) drag model is developed with one extremum conditionof energy dissipation consumed by the drag force, which is incorporated into the two fluid model. The simulations of gas-solid flow behavior in bubbling fluidized beds with with Geldart A and B particles are performed and some parameters including bubble velocity and bubble diameter are analyzed. The results indicate that the present model with consideration of bubble effects obtains a zonal distribution of the drag coefficient with solid concentration, which establishes a relationship between the drag coefficient and the local structural parameters. Comparisons with experimental data, the BSD drag model can obtain a better prediction than the conventional drag model. Meanwhile, the simulation reveals that the BSD drag model has a more significant impact on the predition of bubbling fluidization with Geldart A particles.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2016(048)003【总页数】8页(P585-592)【关键词】曳力系数;气泡;流化床;多尺度【作者】王帅;于文浩;陈巨辉;张天浴;孙立岩;陆慧林【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨150080;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK224作为重要的化学反应器，鼓泡流化床已经被广泛应用于煤燃烧、生物质气化等工业生产中.现阶段，应用欧拉方法对鼓泡流化床进行模拟已经取得了实质性的进展［1-4］.然而，标准的欧拉模型通常采用的是常规的曳力模型，即假设控制体内气体和颗粒是均匀分布的.由于气泡相和乳化相的同时存在，鼓泡床中呈现出了以气泡作为介尺度的非均匀流动结构，若忽略这种非均匀性对气固曳力的影响，会给数值模拟造成很大误差，也无法真实体现出这种多尺度结构特征.近年来，研究者们发展了很多模型来表征非均匀流动结构的影响［5］.Igci等［6-7］基于气固两相流模型，对网格进行了高精度的划分，对颗粒相和相间参数进行重构，构造了曳力的亚格子模型.能量最小多尺度（EMMS）模型把局部颗粒系统划分成稀疏相和稠密相，通过对不同的相结构分别计算相间曳力，再由悬浮输送能量最小的极值条件进行模型的封闭［8-10］.由于考虑了颗粒系统的非均匀多尺度结构对相间曳力的影响，模型能够更好地对流化床内气固两相宏观流动行为进行模拟.Wang与Liu［11］应用EMMS模型很好地再现了鼓泡流化床中颗粒的径向和轴向分布规律.Shi等［12］基于能量最小多尺度方法，通过将气泡这一介尺度结构类比于循环流化床中的颗粒聚团，构建了考虑气泡影响的多尺度曳力系数计算模型.研究表明，该模型在使用粗网格的同时仍然可以不失计算精度，有效地降低了计算代价. Lungu等［13］将该模型拓展到了双组份鼓泡流化床的研究中，模拟结果与实验很好的吻合.Wang等［14］通过分析鼓泡床中的多尺度结构，应用气泡直径和上升速度等经验公式，建立了一种考虑气泡影响的曳力模型，并将其应用于B类颗粒的鼓泡流化床模拟中.研究表明，新的曳力模型可以更好地预测出气泡的运动过程以及床中空隙率的分布.Wang等［15］假设计算网格内颗粒是以两种形式存在的，对现有的曳力模型进行了修正，提出了一种适用于B类和D类颗粒的考虑亚格子尺度影响的曳力表达式.通过对工业规模的鼓泡流化床进行粗网格模拟，模拟结果较好地再现了实验结果.L等［16］和Yang等［17］基于乳化相空隙率与气速之间的Richardson与Zaki［18］的关联式，结合气泡直径与高度的经验公式［19］，发展了应用于A类颗粒的鼓泡流化床多尺度曳力模型.模拟得到的颗粒在床内的径向和轴向分布与实验结果能够较好的吻合.大多数研究者在对高颗粒浓度的气固相间曳力进行求解的过程中，采用全局操作参数得到曳力系数与颗粒浓度之间的关系，忽略了局部结构参数的动态变化对曳力系数的影响.基于此，以气泡作为介尺度结构，考虑乳化相颗粒压力以及乳化相--气泡相间的虚拟质量力的影响，将鼓泡流化床中多尺度曳力与局部结构参数相关联，建立适用于鼓泡床的多尺度曳力模型.结合双流体模型，对鼓泡流化床内气固流动特性进行多尺度模拟.1.1 气相和固相的连续性方程1.2 气相和固相的动量守恒方程式中，τs和ps分别表示颗粒相的剪切应力以及颗粒相压力，通过颗粒动理学理论［20］进行确定.1.3 基于气泡的多尺度曳力模型（BSD曳力模型）图1表示计算网格内基于气泡--乳化相的多尺度结构示意图.将非均匀气固流动分解为乳化相（密相）、气泡相（稀相）和乳化相--气泡相之间的相间作用区.假设每个相区均可以看成一个均匀化的子系统，各相均满足质量和动量守恒.在这里，假设气泡相空隙率为1，即气泡内无颗粒存在.对于无化学反应的一维稳态流动过程，各相均满足质量和动量守恒，其中，乳化相中颗粒动量守恒方程表示为式中，Fde，Fdb和as,e分别表示乳化相中气体--颗粒作用力、乳化相--气泡相相间作用力和乳化相中颗粒加速度［21-22］，分别表示为对于乳化相中固相压力梯度▽ps，反映的是颗粒与颗粒之间碰撞所产生的动量交换，可以表示为式中，G［（1−δb）εe］表示固相弹性模量，这里采用Gidaspow［23］给出的关联式同理，假设气泡相和乳化相的气体切向应力忽略不计，对于一维稳态流动，乳化相和气泡相的气相动量守恒方程可表示为由式（10）和（11）可以得到乳化相和气泡相的压降平衡方程式中，ag,e和ag,b表示乳化相气体和气泡相的加速度▽pb表示由于气泡相和乳化相之间的惯性差引起的附加虚拟质量力，根据Zhang等［24］提出的关联式可以表示为式中，Cb表示附加虚拟质量力系数，可表示为［25］根据质量守恒原理，控制体内颗粒流动满足固相质量守恒方程，即同理，对于控制体内稀相和密相气体流动，气相质量守恒方程可表示为控制体内颗粒和气体浓度的归一化条件为基于控制体内乳化相气体--颗粒作用力和乳化相--气泡相相间作用力，考虑气泡结构影响的多尺度气固相间曳力系数βBSD（BSD曳力模型）表示为：曳力系数βBSD是关于控制体内局部结构参数，即6个未知变量（Ug,e，Us,e，Ub，εe，δb，db）的函数，而求解方程只有式（4），式（12），式（16）～式（18）5个方程.因此，对考虑气泡影响的多尺度曳力系数βBSD的求解需要补充额外约束条件.对于基于气泡和乳化相的非均匀流动结构的控制体来说，气体倾向于汇聚成气泡，以实现最小的气体流动阻力穿过颗粒向上运动，即曳力消耗总能量为最小.对于高颗粒浓度下，控制体内多尺度曳力消耗总能量包括乳化相气体--颗粒作用力消耗的能量和乳化相--气泡相相间作用力消耗能量.因此，气固非均匀流动形成条件为多尺度曳力耗能最小通过式（20）这样一个约束条件结合上述5个方程，就可以求解出6个局部结构参数，进而求解出考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力系数βBSD.关于模型中相关参数的表达式如下.乳化相表观滑移速度及单位体积内乳化相颗粒数密度相间表观滑移速度及单位体积内气泡数密度乳化相以及相间雷诺数乳化相密度、黏度以及表观速度表示为［26］2.1 Zhu等实验工况计算结果分析计算对象采用Zhu等［27］建立的鼓泡流化床实验台，其中床高2.464m，床径为0.267m，初始颗粒填充高度为1.2m，填充空隙率为0.4.颗粒的密度与直径分别为1780kg/m3和65µm，属于Geldart A类颗粒.流化床底部为气体速度入口，压力出口设置在床的顶部，设置为101325Pa.壁面处，气相采用无滑移边界条件，颗粒采用部分滑移边界条件，模拟时间为20s，取10～20s作为时均值计算样本，主要模拟参数见表1.图2给出了不同的曳力模型下时均颗粒浓度沿轴向的分布.由 BSD曳力模型得到的颗粒浓度可以较好地与实验数据相吻合.Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］明显的高估了床层膨胀率，整个床层呈现出颗粒浓度较低且较均匀的分布状态.这是由于该模型在这样的网格尺寸下无法再现气泡的介尺度结构的影响，高估了气固相间曳力.Wang等［28］研究表明，如果使用Ergun/Wen-Yu曳力模型对流化床中介尺度结构进行再现，网格尺度要达到2～4倍的颗粒直径，而对于大尺寸的流化床来说，这样的网格大小是不可行的，因此，采用基于介尺度结构的曳力模型是十分必要的.图中同时给出了L等［16］发展的基于气泡结构的曳力模型得到的模拟结果.可以看到，相较于Ergun/Wen-Yu曳力模型，预测有了较大的改善，颗粒浓度沿轴向呈现了底部为密相床层，上部为自由空间的分布趋势，然而与实验结果还是存在一定的差异.这主要是由于该模型仅仅通过空隙率和床层高度对原有的曳力模型进行了修正，忽略了局部结构参数的动态变化对曳力的影响.图3给出了床层不同高度处模拟得到的颗粒浓度径向分布与实验结果的比较.由图可见，颗粒浓度沿径向呈现壁面高中心区域低的分布趋势.由BSD曳力模型得到的颗粒浓度可以较好地与实验数据相吻合.使用Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］时，颗粒浓度大幅度减小，同时也远离了实验测量值，这是由于气固相间曳力被高估所导致的.图4给出了不同高度处气泡相速度和气泡份额的时均径向分布.对于气泡相来说，中心处速度相对较高，沿径向逐渐减小，这说明气泡在中心处向上运动趋势明显.随着靠近壁面，由于壁面摩擦的影响，向上运动趋势被削弱.从气泡份额分布可以看出，气泡份额沿床径向呈现出中心高边壁低的非均匀分布，随着高度的增加，气泡份额进一步增大.这是由于颗粒在壁面摩擦的作用下易发生汇聚，因此，相较于中心处，边壁处气泡份额较小.随着高度的增加，气泡不断长大，气泡之间不断发生聚并，气泡份额沿轴向逐渐增大.2.2 Laverman等实验工况计算结果分析计算对象采用Laverman等［29］建立的鼓泡流化床实验台，其中床高0.7m，床径为0.3m，初始颗粒填充高度为0.3m，填充空隙率为0.4.颗粒的密度与直径分别为2500kg/m3和485µm，属于Geldart B类颗粒.流化床底部为气体速度入口，表观速度为0.45m/s.图5给出了不同网格尺寸下，两种曳力模型模拟得到的时均颗粒浓度沿轴向的分布.由图可见，在不同网格尺寸下得到的颗粒浓度分布趋势是一致的，即在床层底部浓度较高，随着到达床层表面，浓度迅速下降，在上方的自由空间，浓度接近于0.然而，对比两种曳力模型得到的预测值可以发现，网格尺寸对颗粒浓度分布的影响是显而易见的.使用Ergun/Wen-Yu曳力模型［20］时，粗网格预测的床层膨胀高度要高于其他两种网格的预测值，床层底部的颗粒浓度相较于另外两种网格要小，而对于BSD曳力模型，使用相同的粗网格尺寸预测得到的浓度值与其他网格的预测值差异不是很明显.BSD曳力模型可以在不失精度的前提下，使用较粗的网格进行模拟，大大地提高了计算效率.图6给出了模拟得到的颗粒轴向速度的径向分布与实验值的比较.由图可见，模型可以很好地再现颗粒速度在床内呈现出的非均匀分布趋势.图中同时给出了Ergun/Wen-Yu曳力模型得到的颗粒速度分布.可以看到，该模型对颗粒速度的预测趋势上与BSD模型基本一致，但由于该模型没有考虑气泡对于相间作用力的影响，高估了气固相间作用力，进而使颗粒速度值偏大，而由BSD曳力模型预测的计算结果与实验结果更为吻合.气泡的大小是评估鼓泡流化床的一个重要参数，它直接影响着床内的气固混合以及气体扩散，同时也会导致化学反应与传热传质的非均匀性分布.这里所统计的当量气泡直径是通过气泡面积折算得到的.通过气泡边界的识别和坐标位置的确定，选择空隙率为0.8作为分界点来获得气泡的边界，进而得到气泡的面积.图7给出了床内气泡直径随床高的变化关系.由图可见，随着床层高度的增加，气泡直径逐渐增大.图中同时给出了Laverman等［29］实验得到的气泡直径沿床高的分布.可以看到，利用BSD曳力模型得到的气泡直径更接近于实验值.图8给出了气固相间曳力系数与颗粒浓度的变化关系.由图可见，随着颗粒浓度的增加，曳力系数逐渐增大.对于Ergun曳力模型，曳力系数通过假设床层压降与曳力平衡得到，与颗粒浓度的依赖关系近乎于一条曲线，而BSD曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系则是一条分布带.由于控制体内气泡介尺度结构的影响，曳力系数会受局部结构参数的影响［30］，Ergun曳力模型弱化了这一点.BSD曳力模型很好地建立了控制体内曳力系数与结构参数之间的关系，得到了基于气泡介尺度结构影响的多尺度气固相间曳力系数.在高颗粒浓度的多尺度气固相间曳力系数计算中，为了评估由颗粒与颗粒之间碰撞引起的固相压力以及气泡相和乳化相之间产生的附加质量力的影响，图9给出了这两个参数与颗粒浓度的变化关系.随着颗粒浓度的增加，附加质量力逐渐减小，并逐渐趋于0.这说明在高颗粒浓度时，附加质量力对于曳力系数的影响逐渐被削弱.而从固相压力变化趋势上看，随着颗粒浓度增大，固相压力梯度逐渐增大，这说明在高颗粒浓度时，乳化相中颗粒碰撞的影响逐渐变得显著，而随着颗粒浓度进一步增大，颗粒的自由程减小，颗粒脉动减弱，固相压力梯度减小.从数值上看，固相压力梯度较附加质量力梯度大一些，但两者同处一个数量级.以气泡作为介尺度结构，通过将鼓泡流化床中多尺度曳力系数与局部结构参数相关联，构建了适合于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.应用多尺度曳力模型，结合双流体模型，对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动行为进行了模拟.结果表明，与传统模型相比，考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果，同时在粗网格模拟时，BSD曳力模型可以在不失精度的前提下，大大地提高计算效率.研究发现，A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.在高颗粒浓度下，由颗粒碰撞所引起的固相压力的影响较显著，而虚拟质量力在颗粒浓度较低时表现的较为明显.Ergun方程得到的曳力系数与颗粒浓度的依赖关系近乎于一条曲线，BSD曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系则是一条分布带.BSD曳力模型很好地建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系，进而考虑了气泡对曳力所带来的影响.【相关文献】1 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基于EMMS方法的鼓泡塔反应器CFD及群平衡模拟王珏;杨宁【摘要】The energy-minimization multi-scale (EMMS) model has been introduced to improve the population balance modeling (PBM) of gas-liquid flows. The energy for bubble breakup and coalescence can be obtained from the EMMS model and then used to derive a correction factor for the coalescence rate. This new model is applied in this study to simulate the bubble columns of high flow rates. Simulations using the three different models, namely, the constant-bubble-size model, the CFD-PBM model and the CFD-PBM-EMMS model, are compared with experimental data. The simulation of CFD-PBM-EMMS gives better prediction for bubble size distribution and liquid axial velocity at different heights as well as the overall and local gas holdup. The relative error of global gas holdup reduces to 5% or 15%, and the mean relative error of local gas holdup reduces to 8% or 17% for 0.16 m·s-1 or 0.25 m·s-1 of superficial gas velocity.%能量最小多尺度(energy-minimization multi-scale,EMMS)方法已经被应用于气液体系中群平衡(population balance model,PBM)模型的改进.EMMS模型可计算气泡破碎聚并过程的能量,进而获得聚并速率的修正因子.应用这一模型对高气速鼓泡塔进行了模拟计算,并进一步对比了均一尺径模型、CFD-PBM模型以及CFD-PBM-EMMS模型的模拟结果与实验数据.结果表明,在高表观气速条件下,基于EMMS方法的群平衡模型可以更加准确地预测鼓泡塔中不同高度的气泡尺径分布和轴向液速,同时提高了对整体气含率和局部气含率的模拟准确性.在表观气速为0.16 m·s-1和0.25 m·s-1时,CFD-PBM-EMMS模型对气泡尺径分布的预测精度更高,同时整体气含率模拟的相对误差下降为5%和15%,局部气含率模拟平均相对误差下降为8%和17%.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)007【总页数】11页(P2667-2677)【关键词】计算流体力学;群平衡模型;鼓泡塔;气含率;气泡尺径分布【作者】王珏;杨宁【作者单位】中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京100190;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1鼓泡塔反应器具有结构简单、操作简便、良好的传热传质效率等优点，被广泛应用于化学工程、生物工程、石油工程等领域[1]。
基于CFD-DEM方法的加压鼓泡床气固流动特性数值模拟李玥嬛;朱晓丽;王振波;柳毅博
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2024(42)6
【摘要】为明确加压鼓泡流化床内气固两相流动基本规律以及压力的影响机制,为多种工业过程领域加压鼓泡流化床反应器的设计、运行和放大提供有益参考.文中基于CFD-DEM方法,以开源软件Mfix为计算框架,开展了加压鼓泡流化床气固两相流动数值模拟研究.首先依托薄矩形加压鼓泡流化床试验台数据进行模型验证,在此基础上,系统地研究了操作压力对Geldart B类颗粒临界流化速度的影响,获得了不同操作压力下床层内颗粒运动与分布规律以及气泡尺寸和频率分布.数值模拟结果表明:在0.1~0.7 MPa,随着操作压力的升高,Geldart B类颗粒临界流化速度减小,并且在低操作压力下临界流化速度随操作压力变化更加明显;同时,随着操作压力的升高,床层内气泡尺寸减小,床层均匀性有所改善.
【总页数】6页(P570-575)
【作者】李玥嬛;朱晓丽;王振波;柳毅博
【作者单位】中国石油大学(华东)石大山能新能源学院
【正文语种】中文
【中图分类】S277.9
【相关文献】
1.鼓泡流化床气固两相流动特性的数值模拟
2.加压二维鼓泡床气固流动特性的数值模拟
3.鼓泡流化床气固两相流动特性数值模拟
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5.多联产鼓泡流化床内气固流动特性数值模拟研究
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气液鼓泡床内流动特性的实验与数值模拟的开题报告
一、选题背景与研究意义
气液鼓泡床是一种新型的气液传质反应器，广泛地应用于化学工程领域。
它具有高传质效率、反应驱动力大、床内浓度分布均匀、操作灵活等优点。
因此，它被广泛应用于石油化工、食品、制药等领域。
然而，气液鼓泡床内部流动特性与反应传质过程的复杂性，往往导致设计过程中存在缺乏准确的理论分析方法，从而导致实际操作中的不稳定和低传质效率等问题。
因此，对气液鼓泡床内部流动特性进行实验研究和数值模拟具有重要的研究意义。
二、研究内容与方法
本研究将采用实验与数值模拟相结合的方法，研究气液鼓泡床内部流动特性。
具体研究内容如下：
1.利用实验方法测量床内流场，分析气液两相分布、液体表面形态以及气泡分布情况等流动特性。
2.采用数值模拟方法，建立气液鼓泡床的三维数值模型，模拟床内流动特性，并对模拟结果与实验结果进行比对。
3.基于实验和数值模拟结果，对气液鼓泡床的内部流动特性进行分析与讨论，探究床内流动特性与反应传质过程的关系。
三、预期成果与意义
通过本研究的实验与数值模拟，可以深入了解气液鼓泡床内部流动特性，并对床内反应传质过程进行分析和评估。
具体预期成果如下：
1. 实验方法与数值模拟方法的综合运用，对实际工业运用具有借鉴意义和指导作用。
2. 可以直观地反映出气液鼓泡床内部流动现象和液面分布等信息，从而为气液鼓泡床的设计和优化提供依据。
3. 对气液鼓泡床的工艺参数进行优化，提高鼓泡床的传质效率，降低生产成本，具有重要的现实应用价值。
鼓泡流化床风室及分布板区域流动特性的数值模拟郑磊;刘建坤;李晓伟;王贵路;李明鹤;张大雷【摘要】Computational Fluid Dynamics (CFD) software was used to simulate the fluidization characteristics of a bubbling fluidized bed with a tangential air inlet pattern and a vertical air inlet pattern at different perforated ratios of the flow distributor. The flow trajectory and flow distribution on the change of the wind chamber and the distribution plate were investigated. The results showed that the rising gas flow was almost laminar with the tangential air inlet whereas it was fully developed turbulent with the vertical air inlet. Therefore, with the vertical air inlet pattern, the flow distribution was more uniform, and the effect of boundary conditions by locai high gas speed was smaller. In the range of opening area 0.15% to 1% of the flow distributor, the flow uniformity was gradually stabilized, and the pressure drop decreased with the increase of the perforated rate. The gas distribution uniformity and pressure drop on the distributor were at reasonable values when the perforated rale was 0.5%.%采用计算流体力学(CFD)软件对采用切向进风和垂直进风情况下不同开孔率气体分布板的鼓泡流化床流态化特性进行研究,模拟风室及分布板区域的气体流动轨迹及其速度分布变化.结果表明:气体在切向进风形式下接近层流运动的上升状态,与垂直进风形式所产生的无序湍流上升状态相比,垂直进风形式下气体速度在空间分布更加均匀,受边界条件影响所导致的风室内局部风速过高情况较少;分布板开孔率在0.15％～1.0％变化时,随开孔率增大,气体压降逐渐减小,气体均匀性逐渐稳定;气体分布板开孔率为0.5％时,气体分布均匀性和分布板压降较合理.【期刊名称】《化学反应工程与工艺》【年(卷),期】2012(028)004【总页数】6页(P294-299)【关键词】鼓泡流化床;气体流动特性;分布板开孔率;数值模拟【作者】郑磊;刘建坤;李晓伟;王贵路;李明鹤;张大雷【作者单位】辽宁省能源研究所,辽宁营口115003;辽宁省能源研究所,辽宁营口115003;辽宁省能源研究所,辽宁营口115003;辽宁省能源研究所,辽宁营口115003;辽宁省能源研究所,辽宁营口115003;辽宁省能源研究所,辽宁营口115003【正文语种】中文【中图分类】TQ545气体分布的均匀性是影响流化床反应器的重要因素，风室内气体分布对于流体力学行为、化学反应、热传递和质量传递有重要作用，是影响流化床流态化的因素之一[1,2]。
浆态床鼓泡反应器流体力学的研究进展
张同旺;何广湘;靳海波;佟泽民
【期刊名称】《北京石油化工学院学报》
【年(卷),期】2001(009)002
【摘要】较详细地介绍了浆态床鼓泡反应器(Slurry Bubble Column Reactor,SBCR)中流型、相含率、气泡尺寸及其分布、气泡在液相的停留时间等流体力学特性以及操作条件对SBCR流体力学特性的影响,指出基于稳态和线性假设的传统SBCR流体力学研究的不足及当前利用混沌分析方法进行SBCR流体力学研究取得的新进展,并指出今后SBCR流体力学的研究方向.
【总页数】7页(P47-53)
【作者】张同旺;何广湘;靳海波;佟泽民
【作者单位】北京石油化工学院化学工程系,北京,102600;北京石油化工学院化学工程系,北京,102600;北京石油化工学院化学工程系,北京,102600;北京石油化工学院化学工程系,北京,102600
【正文语种】中文
【中图分类】TQ0
【相关文献】
1.浆态床鼓泡反应器中气含率的分布 [J], 张奉波;卜亿峰;许明;门卓武
2.浆态床鼓泡反应器(SBCR)的研究进展 [J], 莫天明;李平;马晓鸥;姜少华
3.费托合成鼓泡浆态床反应器气体添加模拟研究 [J], 王钰;刘颖;樊伟;曾志勇;徐元
源;相宏伟;李永旺
4.费托合成鼓泡浆态床反应器模型化研究 [J], 王钰;樊伟;刘颖;曾志勇;徐元源;相宏伟;李永旺
5.费托合成鼓泡浆态床反应器模型化研究分析 [J], 田建辉
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反应器设计中的流动与混合优化研究动态分析在化学工程和相关领域中，反应器的设计是一个至关重要的环节。
其中，流动与混合的优化研究一直是众多学者和工程师关注的焦点。
这不仅影响着反应的效率和选择性，还关系到产品的质量和工艺的稳定性。
流动特性在反应器中起着关键作用。
良好的流动模式可以确保反应物在反应器内均匀分布，避免出现局部浓度过高或过低的情况。
比如在管式反应器中，流体的流动形态可能是层流或者湍流。
层流状态下，物质的传递主要依靠分子扩散，速度较慢；而在湍流状态下，由于涡流的存在，物质的传递速率大大提高。
但湍流也可能导致流动的不均匀性，从而影响反应的进行。
混合过程同样不可或缺。
理想的混合能够使反应物迅速达到分子尺度的均匀接触，从而提高反应速率。
不同类型的反应器，如搅拌釜式反应器、流化床反应器等，其混合方式和效果各有特点。
搅拌釜通过搅拌桨的作用实现混合，但搅拌速度和桨叶形式会对混合效果产生显著影响；流化床则借助气体或液体的流化作用来促进混合，但颗粒的大小、密度等因素会改变流化状态和混合程度。
近年来，随着计算流体力学（CFD）技术的飞速发展，为反应器设计中的流动与混合研究提供了强大的工具。
通过建立精确的数学模型，能够模拟反应器内复杂的流动和混合现象。
研究人员可以在计算机上对不同的设计方案进行虚拟实验，预测其性能，从而大大减少了实际实验的次数和成本。
例如，对于一个新型的化学反应器，研究人员可以利用 CFD 模拟来优化其内部结构。
比如调整进口和出口的位置、改变挡板的形状和数量等，以改善流动分布和混合效果。
通过模拟得到的流场信息，如速度分布、压力分布、浓度分布等，可以直观地了解反应器内部的情况，为进一步的优化提供依据。
除了CFD 技术，实验研究在流动与混合优化中仍然占据重要地位。
实验可以提供真实的反应条件和数据，验证模拟结果的准确性。
一些先进的测量技术，如粒子图像测速（PIV）、激光诱导荧光（LIF）等，能够更精确地测量流体的速度和浓度场，为深入研究流动和混合机制提供了有力支持。
