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小管径比固定床中圆柱颗粒床层内气体流动特性

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化学反应工程与工艺 2018年第4期34卷 317-324页

作者：宋江张亚新新疆大学化学化工学院新疆乌鲁木齐830046

为了更好地探究气体在小管径比固定床内圆柱形颗粒床层中的流动特性,采用离散元法(DEM)生成严格的圆柱形颗粒床层,并对圆柱颗粒-颗粒及颗粒-壁面之间的接触进行"桥"处理。在验证模拟可行性的基础之上,运用计算流体力学(CFD)对空气在圆... 详细信息

为了更好地探究气体在小管径比固定床内圆柱形颗粒床层中的流动特性,采用离散元法(DEM)生成严格的圆柱形颗粒床层,并对圆柱颗粒-颗粒及颗粒-壁面之间的接触进行"桥"处理。在验证模拟可行性的基础之上,运用计算流体力学(CFD)对空气在圆柱形颗粒床层中的流动过程进行数值模拟,通过提取固定床整体空隙率、径向空隙率及流场分布可知:小管径比固定床中的壁效应明显,近壁区空隙率存在较大幅度的振荡,速度场中存在局部不均匀性。在靠近壁面和填充松散处气体会形成沟流,某些情况下,在颗粒尾流中会出现停滞或回流的区域。

关键词：固定床圆柱颗粒径向空隙率壁效应流场分布

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圆柱颗粒固定床离散元模拟及空隙分布研究

圆柱颗粒固定床离散元模拟及空隙分布研究

作者：韩欢欢中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

固定床反应器是化工生产领域中最常用的反应器,诸多学者对其进行了大量的研究。然而对于床径比（床层直径与颗粒的体积当量直径的比值）较小的圆柱颗粒固定床的研究还不够充分,这类固定床在高放热反应中发挥着重要的作用。床层内的空隙... 详细信息

固定床反应器是化工生产领域中最常用的反应器,诸多学者对其进行了大量的研究。然而对于床径比（床层直径与颗粒的体积当量直径的比值）较小的圆柱颗粒固定床的研究还不够充分,这类固定床在高放热反应中发挥着重要的作用。床层内的空隙分布对固定床的整体和局部流动特性,如床层的总压降或流体速度分布等具有重要的影响,同时床层内的流体流动控制着颗粒对流体、流体对壁面的质量及热量传递。因此有必要对床径比较小的圆柱颗粒固定床内的空隙分布规律进行详细的研究。本文采用离散元法建立了圆柱颗粒固定床的填充数值模型,并将得到的床层平均空隙率与径向空隙率分布与前人的结论进行对比,发现其均在合理的范围内,验证了本文所建立的固定床填充数值模型的准确性。在此基础上,本文探究了颗粒摩擦系数、床径比与圆柱颗粒的长径比对床层内空隙分布规律的影响。结果表明,当摩擦系数小于0.5时,随着摩擦系数的增大,平均空隙率增大较快,且圆柱颗粒在小床径比的床层内更趋于水平方向放置;当摩擦系数处于0.5到1.5之间时,平均空隙率受摩擦系数的影响减小;而当其大于1.5时,平均空隙率基本保持不变。随着床径比的减小,壁面影响逐渐增大,平均空隙率逐渐增大,径向空隙率分布曲线的震荡趋势一直延续到床层中心。随着圆柱颗粒长径比的增大,平均空隙率先减小后增大,径向分布函数图中的峰数量逐渐减少,最后将只剩下一个峰,且圆柱颗粒更倾向于垂直排列。本文采用三维震动的方式对床层进行致密化操作,探究了震动频率及震动幅度对空隙分布规律的影响。结果表明,震动幅度及震动频率的增大使得震动强度增大,填充密度随着震动强度的增大先增大后减小。颗粒间的间距变小,从而径向分布函数图中第一个峰的峰值更大。同时圆柱颗粒更倾向于处于垂直于水平面的方向放置,颗粒间的排列更加规则。

关键词：离散元法圆柱颗粒空隙分布震动

基于X光层析成像的圆柱颗粒流化床布风板射流特性研究

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基于X光层析成像的圆柱颗粒流化床布风板射流特性研究

作者：刘曙光东南大学

学位级别：硕士

生物质和可燃固废常以圆柱等非球形颗粒形式存在,在流化床内难以单独流化,需要加入石英砂等床料颗粒增强其可流化性,因此固废流化床内经历的通常是非球颗粒-床料双组分颗粒共流化过程。双组分颗粒在共流化过程中经常会发生混合/分离、... 详细信息

生物质和可燃固废常以圆柱等非球形颗粒形式存在,在流化床内难以单独流化,需要加入石英砂等床料颗粒增强其可流化性,因此固废流化床内经历的通常是非球颗粒-床料双组分颗粒共流化过程。双组分颗粒在共流化过程中经常会发生混合/分离、沟流和架桥等现象,进而引起流化床内温度和产物分布不均,影响流化床的正常运行。圆柱颗粒和床料由于密度和形状之间的差异进一步加剧了这种现象,最终导致流化床整体装置处理效率的下降。因此对流化床内非球双组分颗粒共流化过程的研究对于上述工业装置的优化设计与高效运行至关重要,而现有研究多集中于床层压降、最小流化速度和流型转变等宏观尺度运动规律,对更深层次的介观尺度流动机理研究不足,特别是对于双组分颗粒流化床布风板上方射流现象的形成发展过程缺乏有效认识,尚不能满足工业应用的需求。另一方面,测量手段的不足也制约了人们对流化床内气固流动过程的理解。传统基于可见光、传感器探头和电/磁的测量方法存在物料遮挡、干扰流场和测量精度低等缺点,无法准确地捕捉到更深层次的介尺度流动现象,急需开发新的无扰测量方法。为解决上述问题,本文首先构建了流化床气固流动的X光层析成像（XCT）测量系统,在此基础上完成了流化床三维时均空隙率的测量,实现了颗粒流化过程的三维重建及布风板介尺度射流的识别和量化,并对测量误差进行了分析和计算。成功获得了布风板射流的具体形态结构和射流长度、最大直径、体积和膨胀角等量化参数。采用X光层析成像（XCT）测量系统对单组分流化床布风板射流现象开展了实验研究。发现布风板上方邻近射流具有相互靠近并合并形成气泡上升的倾向,平均射流长度、最大直径和体积与床料粒径成反比,与孔口直径和孔口均分面积成正比;平均射流膨胀角与床料粒径成正比,与孔口直径和孔口均分面积成反比。并成功拟合了单组分流化床布风板射流的无量纲长度关联式。在此基础上进一步采用X光层析成像（XCT）测量系统对双组分流化床布风板射流现象开展了实验研究。发现圆柱颗粒在流化过程中对射流具有扰动作用,使射流的时均性变差,射流的几何形状变得不规则。当流化风速较小时,大部分圆柱颗粒悬浮于床层表面,少部分圆柱颗粒堆积在流化床底部,阻碍了射流的形成。圆柱颗粒质量分数越大,射流长度、最大直径和体积越小;圆柱颗粒密度对射流几何特征影响较大,圆柱颗粒密度越大,射流长度、最大直径和体积越小;圆柱颗粒形状对射流几何特征影响较小,特别是对于射流膨胀角没有呈现出显著的影响规律。最终提出了双组分流化床布风板射流的无量纲长度关联式,进一步丰富和发展了双组分非球颗粒气固流动的相关理论。

关键词： X光层析成像测量系统流化床圆柱颗粒介尺度射流

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搅拌槽内圆柱颗粒悬浮特性的实验研究

搅拌槽内圆柱颗粒悬浮特性的实验研究

作者：程千帆北京化工大学

学位级别：硕士

搅拌式生物反应器在食品发酵、生物制药等生物技术行业中应用非常广泛。其中的生物质固体颗粒诸如秸秆、粪便,在形状上可简化为圆柱形、圆盘形等形状。对于固液悬浮操作,现如今大多数学者的研究都集中在规则的球形颗粒的固液悬浮上,对... 详细信息

搅拌式生物反应器在食品发酵、生物制药等生物技术行业中应用非常广泛。其中的生物质固体颗粒诸如秸秆、粪便,在形状上可简化为圆柱形、圆盘形等形状。对于固液悬浮操作,现如今大多数学者的研究都集中在规则的球形颗粒的固液悬浮上,对于形状不规则的非球形颗粒(如圆柱形、圆盘形等)的研究甚少。本文研究了固液搅拌槽内以圆盘桨为驱动,多个圆柱颗粒在层流流动条件时的悬浮特性。实验过程使用两台分别位于搅拌槽底面和侧面的高速相机同时对最多8个圆柱颗粒的运动进行拍摄。并借助Matlab软件对获得的图像进行数据处理,得到了圆柱颗粒的运动轨迹图像,以及运动速度等信息。实验分别从颗粒数目的改变、颗粒长径比的不同、颗粒材质的差异、搅拌雷诺数的大小等方面分别考察圆柱颗粒悬浮运动的变化。实验结果表明,随着圆柱颗粒数量的增加,颗粒开始悬浮所需要的转速逐渐变小。临界悬浮转速NLO不会随着长径比的增加而单调增加,而是在某一范围内呈增加趋势。对于相同初始位置的圆柱颗粒,其悬浮前最终偏移距离roffset会随总颗粒数目的增加而呈减少的趋势。长径比的增大会减弱该趋势,而颗粒密度的增大会增加其减小的幅度,雷诺数的改变基本不会影响颗粒最终偏移距离roffset的变化趋势。同一初始位置的颗粒的最大峰值速度会随着颗粒数目的增加出现减小现象。当长径比增加时,颗粒速度峰值的数量也会出现变化,一般来说会出现两个速度峰值,但也会出现只有一个速度峰值的可能。长径比的增加会导致颗粒的最大悬浮高度有所降低。颗粒数目增加后,初始位置相同的颗粒所能达到的最大仰角β出现减小的趋势。

关键词：搅拌槽圆柱颗粒临界悬浮转速偏移距离运动速度

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搅拌槽内圆柱颗粒临界悬浮的实验研究

搅拌槽内圆柱颗粒临界悬浮的实验研究

作者：武煜杰北京化工大学

学位级别：硕士

近年来厌氧发酵技术作为一项能够直接利用生物质资源的技术受到了广泛的关注。发酵原料的形状通常是不规则的非球形,其在厌氧发酵反应器中通过搅拌作用形成固-液悬浮液,能够有效地促进发酵的进行。除此之外,固-液悬浮在自然界以及各种... 详细信息

近年来厌氧发酵技术作为一项能够直接利用生物质资源的技术受到了广泛的关注。发酵原料的形状通常是不规则的非球形,其在厌氧发酵反应器中通过搅拌作用形成固-液悬浮液,能够有效地促进发酵的进行。除此之外,固-液悬浮在自然界以及各种工业过程中都扮演着重要的角色。现有的关于固-液悬浮的研究主要集中于固体颗粒的宏观运动,也有部分学者对单个球形颗粒的悬浮进行了研究,但是研究非球形颗粒的运动是很少见的,对于其悬浮特性的研究更为匮乏。本论文研究了在由圆盘桨驱动的方形搅拌槽内,层流条件下单个圆柱颗粒的临界悬浮特性。基于所用实验装置和方法,定义了方位角α和仰角β来定量描述圆柱颗粒的方向。实验使用两台高速相机分别从侧面和底面同时对圆柱颗粒的运动进行了捕获,并借助MATLAB软件对采集图像进行处理,获得了包括颗粒运动轨迹、运动速度、方向等信息。实验结果表明圆柱颗粒的临界悬浮转速NLO与其直径和长径比有关,直径或长径比较大的圆柱颗粒在流场中会受到更大的悬浮动力。表示颗粒所受到的粘性力与净重力比值的粘性Shields数,可被认为是圆柱颗粒悬浮的关键控制参数。对圆柱颗粒运动特性的研究发现最初位于搅拌槽底中心处的颗粒在流场作用下会逐渐偏移中心,且偏离距离与颗粒的长径比近似呈线性增大关系,颗粒位置的偏移有助于其悬浮。颗粒在上升过程中上升高度与最大仰角β都随着其长径比的增大而减小。由于桨盘的限制和颗粒转向的影响,颗粒的上升过程出现了两次减速。

关键词：搅拌槽层流圆柱颗粒临界悬浮方向