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二维喷动床CFD-DEM模拟中曳力模型的影响

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计算力学学报 2022年第3期39卷 350-356页

作者：周连勇赵永志浙江大学能源工程学院化工机械研究所杭州310027

CFD-DEM已经广泛应用到喷动床的研究中,其模拟的准确性与用于处理颗粒-流体相互作用的曳力模型密切相关。为了探究不同曳力模型对喷动床CFD-DEM模拟结果的影响,基于非结构化网格的喷动床仿真,使用7个曳力模型分别对锥底喷动床内气固两... 详细信息

CFD-DEM已经广泛应用到喷动床的研究中,其模拟的准确性与用于处理颗粒-流体相互作用的曳力模型密切相关。为了探究不同曳力模型对喷动床CFD-DEM模拟结果的影响,基于非结构化网格的喷动床仿真,使用7个曳力模型分别对锥底喷动床内气固两相运动进行了数值模拟。综合床层压降、喷动高度和颗粒速度特性三个方面,Wen-Yu模型和Gibilaro模型预测的气固两相运动最剧烈,其次是Di Felice模型、Syamlal-O’Brien模型、Gidaspow模型和Huilin-Gidaspow模型,BVK模型预测的气固两相运动最平缓。由于模拟的气固两相体系属于密相体系,Huilin-Gidaspow模型的光滑过渡函数没有产生效果,所以Gidaspow模型和Huilin-Gidaspow模型在各个方面的预测结果基本一致。

关键词：喷动床 CFD-DEM 曳力模型非结构化网格

生物质热解动力学与喷动床反应器耦合模拟研究

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生物质热解动力学与喷动床反应器耦合模拟研究

作者：郭子千中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

生物质作为可再生的含碳资源,通过热解方式能够获得油、气、焦等产物,近年来得到广泛关注。热解动力学特性以及对应的反应器研究是生物质热转化利用技术开发的关键。在生物质热解动力学计算过程中,与常规的等转化率法模型相比,分布活化... 详细信息

生物质作为可再生的含碳资源,通过热解方式能够获得油、气、焦等产物,近年来得到广泛关注。热解动力学特性以及对应的反应器研究是生物质热转化利用技术开发的关键。在生物质热解动力学计算过程中,与常规的等转化率法模型相比,分布活化能模型（DAEM）能够对应生物质多组分的复杂组成特性,从而能够更好地解析生物质热解反应特性。同时,考虑到秸秆等农林类生物质宽粒径分布、差异化颗粒形状等特性,传统反应器需要将生物质进行研磨或致密成型,以喷动床为代表的反应器能够更好地适应生物质颗粒的流态化操作。数值模拟方法常被用于生物质反应器内流动与反应现象的考察。生物质热解动力学计算以及反应器计算流体力学的研究较多,但是将两者耦合的研究较少。本课题首先针对小麦秸秆开展惰性气氛下热解实验,通过热重分析仪记录热解过程失重情况,并对产物气体进行收集,进行动力学分析;其次选择喷动床处理初破碎的粉-粒生物质颗粒,通过三维冷态模拟,明确了喷动床分级处理粉-粒生物质颗粒的可行性,并针对其内部气固流动特性开展了结构优化;最终将两者结合,通过将DAEM积分过程进行简化,进行了二维喷动床热态条件下CFD-DAEM数值模拟,结果揭示了DAEM积分过程简化的有效性,并成功实现了CFD-DAEM计算。（1）分别使用Friedman、FWO等两种等转化率法和分布活化能法（DAEM）考察了小麦秸秆的热解动力学特性。Friedman法和FWO法求取小麦秸秆活化能分别为220.77和200.51 k J/mol;DAEM法获得秸秆四种虚拟组分的活化能分别为68.43、128.66、237.47和284.35 k J/mol,并将四种假想组分与真实组分进行对应,获得活化能排序为:提取物>纤维素>半纤维素>木质素。（2）基于Open FOAM开展了喷动床分级处理生物质冷态数值模拟研究。首先获得了喷动床锥角对于喷泉高度的影响规律,入口处气流扩散范围是决定喷泉高度的主要原因。其次,基于颗粒分级处理的概念,提出了喷动床优化设计理论,定量获得了不同粒径生物质颗粒在反应器内的停留时间。最后,通过加入三角形内构件防止大颗粒生物质直接落入喷泉区,实现喷动床稳定操作。（3）基于生物质热解DAEM模型以及喷动床CFD计算开展了耦合模拟研究。使用辛普森积分公式简化DAEM积分,耦合CFD-DAEM,在主反应温度区间（400-600 K）拟合度R达到97%。基于该简化方法,建立二维喷动床热态数值模型并分析了热态产物分布情况。结果显示热解产物分布与实验结果相符,各产物分布呈现出CO>CO>CH>H的趋势。

关键词：生物质热解动力学喷动床数值模拟

基于人工神经网络方法的喷动床流态化行为数值模拟研究

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基于人工神经网络方法的喷动床流态化行为数值模拟研究

作者：王华贝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

为了实现我国“碳达峰、碳中和”的目标,在“十四五”及未来的很长一段时间内,低碳发展将是国家环境治理的一个重要主题,而这将对能源的高效利用、清洁转化提出了更高的要求。流态化作为一种能够解决能源高效利用及清洁转化的技术,长期... 详细信息

为了实现我国“碳达峰、碳中和”的目标,在“十四五”及未来的很长一段时间内,低碳发展将是国家环境治理的一个重要主题,而这将对能源的高效利用、清洁转化提出了更高的要求。流态化作为一种能够解决能源高效利用及清洁转化的技术,长期以来都是研究的热点。喷动床的物料适用性强、气固相互作用剧烈、流化性能稳定,在化工、能源、环保、食品及冶金等领域广泛应用,但其调控机制仍有待研究。因此本文基于神经网络方法建立适用喷动床复杂流动的曳力模型,并对典型喷动床内部的气固两相流动特性进行研究。针对喷动床内的流动特性,充分考虑了质量守恒及动量守恒等方程,建立基于离散单元模型的气固两相流动模型。针对气固相间曳力,基于人工神经网络方法学习文献中的实验数据,提出了曳力模型。模拟发现该曳力模型与实验结果吻合较好。喷动床在不同操作条件下存在不同流型,本研究选择了典型的喷动床和喷动流化床进行了研究。相关结果为喷动床的工程实际应用提供理论支撑。对喷动床研究了在不同操作条件下的流动特性,发现随着入口气速的增长,喷泉区长度的增长较喷动区更为明显,床层膨胀高度与气速呈正线性相关,压降和功率谱分析结果显示气速增长会使得主频幅度更大,床层压降周期性更明显,时均颗粒体积分数更低,时均颗粒温度更高。随着颗粒密度的增加,床层膨胀高度逐渐降低,压降和功率谱分析结果显示颗粒密度的增加会使得压降的周期性减弱,在喷动区时均颗粒体积分数随着颗粒密度增加而增加,在环隙区则相反,而时均颗粒温度始终随着气速的增加而增加。对喷动流化床研究了在不同操作条件下的流动特性,研究发现在喷口周围引入流化气速后,床内颗粒的流化状态得到了很大的改善。随着入口气速的增长,床层膨胀高度与气速呈线性关系,压降和功率谱分析结果显示引入流化气速会使得床层压降周期性减弱,同时时均颗粒体积分数更低,时均颗粒温度更高。在不同的颗粒密度对比时,发现随着颗粒密度的增加,床内床层膨胀高度在降低,压降和功率谱分析结果显示颗粒密度的增加会使得压降的周期性减弱,而时均颗粒体积分数和时均颗粒温度随着颗粒密度增加时均颗粒温度变化不如喷动床明显。

关键词：神经网络曳力模型喷动床喷动流化床数值模拟

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喷动床技术研究进展

农业机械学报 2006年第7期37卷 189-193页

作者：赵杏新刘伟民罗惕乾徐圣言江苏大学能源与动力工程学院江苏大学食品与生物工程学院江苏大学生物与环境工程学院

阐述了国内外近年来喷动床技术研究的进展,分别对喷动床床体结构改进、数学模型及应用等方面的研究现状进行了总结。简述了目前研究中存在的主要困难与问题,提出了喷动床研究未来发展的思路。

关键词：喷动床结构改型气固流动模型应用进展

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喷动床环隙区内颗粒流的数学模型和仿真

化工学报 2004年第2期55卷 284-289页

作者：李水清姚强赵香龙清华大学热能工程系煤的清洁燃烧国家重点实验室北京100084

Solids motion in the annulus of a spouted bed can be considered as a quasi-static deforming flow similar to that in a silo. Several simplified granular-flow models by Sullivan et al. including kinematic, potential and plastic theory, are investigated in this paper. The model of solids circulation by Morgan et al is combined with the above granular models to predict solids axial velocity in annulus. The finite element method is adopted and the complicated spout-annulus shape geometry is especially considered. Simulated results are compared with experimental data from He et al. It indicates that kinematic theory agrees well with experiments. The regressed kinematic constant B for annulus flow is greatly larger than that for silo flow. Potential theory obtains similar result with kinematic theory, but is incomplete in its physical significance. Plastic theory gives unrealistically oscillatory solution because of the over simplification of stress field. Finally, the Euler equations coupling the momentum transfer of solids with the frictional stress field are proposed for future study.

关键词：喷动床环隙区颗粒流运动学理论塑性理论循环速率

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喷动床内气固两相流动进口旋流效应数值模拟

高校化学工程学报 2020年第3期34卷 656-663页

作者：刘璇黄振宇苏雪蹇一毫吴峰马晓迅西北大学化工学院陕西西安710069 陕西省洁净煤转化工程技术中心陕西西安710069

为了研究喷嘴进口气体旋流效应对喷动床内气固两相流动特性的影响规律,采用数值模拟方法进行研究分析。通过欧拉-欧拉双流体模型和颗粒动力学理论对气固两相流动进行模型处理,分别对常规喷动床及带旋流器喷嘴喷动床进行模拟分析与对比... 详细信息

为了研究喷嘴进口气体旋流效应对喷动床内气固两相流动特性的影响规律,采用数值模拟方法进行研究分析。通过欧拉-欧拉双流体模型和颗粒动力学理论对气固两相流动进行模型处理,分别对常规喷动床及带旋流器喷嘴喷动床进行模拟分析与对比。研究表明:喷嘴进口气体旋流效应显著地强化了喷动床内颗粒的径向运动,能有效消除柱锥区的颗粒堆积现象,扩大了低床层区气体喷射区的影响范围,增加了喷动床内气体的湍动能值,从而提高喷动床内颗粒处理的整体效率。存在最佳η(旋流器内径与外径比值)值,即η为0.526时,旋流气体对喷动床环隙区内颗粒堆积的消除作用及气体湍动能值的提升最为显著,同时旋流器喷动床的总体压降达到了峰值。

关键词：喷动床旋流效应气固两相流动数值模拟

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喷动床DEM模拟曳力模型评价

哈尔滨工程大学学报 2011年第5期32卷 581-588页

作者：朱卫兵朱润孺邢力超孙巧群哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对喷动床DEM模拟中的曳力模型选择问题,利用CFD-DEM方法,对几种曳力模型在矩形喷动床模拟中的应用进行了讨论,研究采用标准k-ε模型和Beer&Johnson表达式考虑湍流和滚动摩擦的影响.结果表明:Arastoopour、Sy-amlal&O'Brien和Tsuji模... 详细信息

针对喷动床DEM模拟中的曳力模型选择问题,利用CFD-DEM方法,对几种曳力模型在矩形喷动床模拟中的应用进行了讨论,研究采用标准k-ε模型和Beer&Johnson表达式考虑湍流和滚动摩擦的影响.结果表明:Arastoopour、Sy-amlal&O'Brien和Tsuji模型均可较好地预测流动结构和空隙率、颗粒速度分布,Tsuji模型模拟结果与实验值最为接近;在环隙区,滚动摩阻力矩大于切向接触力矩,滚动摩阻力矩的加入使颗粒轴向速度最大值的预测更加精确;滚动摩阻力矩与颗粒速度梯度两者之间的相互作用,速度梯度起主导作用.

关键词：曳力模型喷动床离散单元法滚动摩阻力矩

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喷动床异径颗粒混合的离散元气固耦合模拟

工程热物理学报 2013年第8期34卷 1475-1478页

作者：任冰钟文琪金保昇邵应娟袁竹林能源热转换及其过程测控教育部重点实验室(东南大学) 能源与环境学院江苏南京210096

采用离散元气固耦合模拟方法(CFD-DEM),对三维柱锥形喷动床中双组分异径颗粒的混合过程进行了模拟研究。对不同粒径比的双组分颗粒混合物在达到稳定混合后的流动结构进行了分析。采用Lacey混合指数来衡量总体颗粒混合的均匀程度,探讨了... 详细信息

采用离散元气固耦合模拟方法(CFD-DEM),对三维柱锥形喷动床中双组分异径颗粒的混合过程进行了模拟研究。对不同粒径比的双组分颗粒混合物在达到稳定混合后的流动结构进行了分析。采用Lacey混合指数来衡量总体颗粒混合的均匀程度,探讨了粒径比和喷动气速对颗粒浓度分布和床内混合质量的影响。结果表明,粒径比对流动结果的影响主要体现在喷泉区,粒径比的增加显著增加了喷泉的高度和宽度。床内混合质量随粒径比的降低和喷动气速的升高而增加,颗粒浓度沿轴向和径向的分布呈现明显的不均匀性。当双组分异径颗粒混合物达到稳定混合后,单位质量下粒径较小的颗粒所受曳力略高于粒径较大的颗粒。

关键词：直接数值模拟气固两相流动喷动床颗粒混合

喷动床气固流动特性的三维CFD-DEM数值模拟

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工程热物理学报 2012年第8期33卷 1341-1344页

作者：任冰钟文琪金保昇袁竹林陆勇东南大学能源与环境学院江苏南京210096

开展了柱锥形气固流动特性的CFD-DEM耦合三维数值模拟研究。气相场采用基于欧拉坐标体系的k-ε双方程湍流模型,固相场采用基于拉格朗日坐标体系的DEM直接数值模拟方法,跟踪离散颗粒场的每一个颗粒,考虑颗粒与颗粒(壁面)之间的碰撞力、... 详细信息

开展了柱锥形气固流动特性的CFD-DEM耦合三维数值模拟研究。气相场采用基于欧拉坐标体系的k-ε双方程湍流模型,固相场采用基于拉格朗日坐标体系的DEM直接数值模拟方法,跟踪离散颗粒场的每一个颗粒,考虑颗粒与颗粒(壁面)之间的碰撞力、曳力、重力、Magnus升力、saffman升力。颗粒之间的碰撞采用Hertz-Mindlin无滑移模型计算。模拟对象为柱锥形喷动床,其直径为0.152 m,喷口直径为0.019 m,模拟颗粒数22万,探讨了喷动床中射流随时间的发展,不同气速下床内气固流动结构,以及颗粒速度与颗粒浓度的分布,并与实验数据进行了对比。

关键词：直接数值模拟气固两相流动喷动床颗粒碰撞