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Numerical investigation of transient gas–solid heat transfer in a packed bed:Impact of intra-particle thermal diffusion

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Particuology 2024年第7期90卷 404-411页

作者： Hanqiao Che Yuanhe Yue Zhaohua Jiang Duan Li School of Mechanical Engineering Guangxi UniversityNanningGuangxi530004China School of Chemical Engineering University of BirminghamBirminghamB152TTUK Hebei Engineering Research Center of Advanced Energy Storage Technology and Equipment School of Energy and Environmental EngineeringHebei University of TechnologyTianjin300401China Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization School of Energy and Environmental EngineeringHebei University of TechnologyTianjin300401China School of Mechatronics and Vehicle Engineering Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074China School of Instrumentation and Opto-Electronic Engineering Beihang UniversityBeijing 100191China

The transient heat transfer behaviours in a packed bed have been studied using coupled computational fluid dynamics(cfd)and discrete element method(dem).Intra-particle thermal diffusion,which is a crucial but rarely explored issue,is considered by introducing a one-dimensional diffusion equation in the dem *** achieve a sufficiently long physical time of simulations,we further reduce the computational cost by applying periodic boundary condition to a small segment of the packed *** study demonstrates a shifting peak heat flow rate from the bottom to the top of the packed bed during the initial warming *** affirm that the influence of thermal diffusion within a particle is noteworthy only for particles exhibiting a high Biot number(e.g.,Bi=1.2).This insight enriches our understanding of heat transfer mechanisms in packed beds and their practical engineering applications.

关键词： Packed bed Intra-particle heat transfer cfd–dem

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高山峡谷区山洪沟口泥沙堆积特征数值试验

工程科学与技术 2024年第1期56卷 237-244页

作者：聂一品兰玲王协康四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室四川成都610065

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象,其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀,并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深,难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程,无法揭... 详细信息

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象,其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀,并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深,难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程,无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征,易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征,以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象,采用耦合的计算流体力学(cfd)与离散单元法(dem)数学模型,模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程,重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明:泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势,过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大,泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关,可以使用具有3个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。

关键词：高山峡谷区山洪沟泥沙堆积堆积形态 cfd–dem

A hybrid deterministic-stochastic model for spouted beds

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Particuology 2019年第1期17卷 104-113页

作者： Shahab Golshan Reza Zarghami Navid Mostoufi Process Design and Simulation Research Centre. School of Chemical Engineering. College of Engineering University of Tehran. TehranIran

A new hybrid deterministic-stochastic model is developed and used to simulate a slot-rectangular spouted *** model includes deterministic and stochastic steps that are executed in *** simulation starts with the deterministic part of the model,in which the computational fluid dynamics-discrete element method (cfd-dem) equations are solved for 1 s to give the initial velocity distribution of the *** stochastic part is then executed,with the hydrodynamics of the bed taken from the velocity distributions acquired in the first step through Monte Carlo sampling.A full deterministic (cfd-dem) simulation of the bed is also conducted for comparison with the proposed hybrid ***,the proposed hybrid is validated using experimental data from the *** validations are based on the axial and lateral velocity distributions of the particles and the bed *** effects of the cell size and number of sampling steps on the accuracy of the model are also *** performance of the proposed model is compared with the cfd-dem results in terms of the computation time and the rate of solid circulation in the *** hybrid model is found to have shorter runtimes than the cfd-dem approach.

关键词： cfd–dem Monte Carlo Spouted bed Hydrodynamics Solid circulation rate

Simulation of spray coating in a spouted bed using recurrence cfd

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Particuology 2019年第1期17卷 92-103页

作者： Paul Kieckhefena Thomas Lichtenegger Swantje Pietsch Stefan Pirker Stefan Heinrich Institute of Solids Process Engineering and Particle Technology Hamburg University of Technology. HamburgGermany Department for Particulate Flow Modelling. Johannes Kepler University LinzAustria Linz Institute of Technology (LIT) Johannes Kepler UniversityLinzAustria

Although numerical models such as the computational fluid dynamics–discrete element method (cfd–dem) have enabled the accurate simulation of laboratory-scale apparatuses, the application of these methods to large-scale apparatuses with many particles and time scales ranging from minutes to hours remains a challenge. The recently developed recurrence cfd (rcfd) method seeks to overcome these issues in pseudo-periodic processes by extrapolating globally recurring patterns in a physically meaningful way and describing the transport and interaction of passive scalars using Lagrangian tracers. Spouted beds represent an interesting target because of the associated variety of flow regimes. They can be effectively described by cfd–dem on the time scale of tens of seconds, whereas industrially relevant processes typically take hours. In this contribution, we established the validity of applying the Lagrangian rcfd method to spouted beds by demonstrating the accurate reproduction of the particle residence time distribution in a fictitious spray zone. The deposition of spray droplets onto tracer particles was simulated for 1 h, and the particle surface coverage distribution was estimated using a statistical approach for both an unstabilized prismatic spouted bed and one stabilized by draft plates.

关键词： cfd–dem Recurrence cfd Spray coating Time-scale decoupling Spouted bed Draft plate

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粗颗粒固液离心泵两相迁移和能量特性研究

粗颗粒固液离心泵两相迁移和能量特性研究

作者：唐臻吉浙江理工大学

学位级别：硕士

海底蕴藏的矿产资源种类丰富、储量极高、品味极高,开发前景巨大。泵管提升是目前国际上广泛认同、最有前景的深海采矿技术,混输泵作为其核心动力装备,在矿浆输运过程中极易发生流动失稳和堵塞问题,从而诱发泵性能陡降,直接影响采矿系... 详细信息

海底蕴藏的矿产资源种类丰富、储量极高、品味极高,开发前景巨大。泵管提升是目前国际上广泛认同、最有前景的深海采矿技术,混输泵作为其核心动力装备,在矿浆输运过程中极易发生流动失稳和堵塞问题,从而诱发泵性能陡降,直接影响采矿系统的安全可靠运行。混输泵是一种带有空间导叶的多级离心泵,具有流道复杂的特点。矿石颗粒具有密度高、粒径大的特点,对矿石和流体构成的固液两相流的研究是设计高效、可靠混输泵的基本保证。设计制造混输泵时,有三个重要的工程问题需要解决:1.矿物颗粒的过流性能（流道堵塞）;2.可靠性（壁面磨损）;3.效率问题（能耗）。这三个问题都与颗粒在泵内的运动密切相关。本文建模了一台实验室规模的两级混输泵。采用计算流体力学–离散单元方法（cfd–dem）,数值研究了携带粗颗粒的泵内固液两相流动。通过实验测定了清水和浆料工况下的混输泵外特性,数值结果与实验结果在误差允许范围内相符合,验证了数值方法的可靠性。由于应用放大流量设计法,最佳效率点与工作点分离,向大流量工况偏移。针对混输泵,本文首先分析了泄漏流对主流的影响,泄漏量与流量之间的关系,以及泄漏流的两级差异。然后研究了叶轮和空间导叶的流动特性。接着分析了总压降法（实验结果）与熵产–容积损失法之间的误差,验证了使用熵产计算水力损失的可行性。通过熵产损失和容积损失,研究了两级的水力损失差异,并且分析了主要水力部件内的熵产生率分布。最后,对比了两级颗粒的差异。颗粒在叶轮和空间导叶内的位置分布、速度变化和运动轨迹被详细研究。颗粒离开叶轮时的速度取决于其是否于叶轮叶片碰撞。颗粒在空间导叶内的迁移分为三个阶段。第一阶段,颗粒进入导叶,周向速度分量远大于其他速度分量。第二阶段,颗粒沿着导叶的吸力面向上运动。颗粒在导叶的吸力面上经历多次碰撞,其运动轨迹呈折线状。这些碰撞使得颗粒的周向速度逐步转换为轴向速度,同时也导致颗粒损失一部分动能。第三阶段,颗粒离开导叶,轴向运动占据主导地位。本文的工作为混输泵的抗磨损和防堵塞研究提供参考。

关键词：混输泵泄漏流动颗粒运动深海采矿 cfd–dem

气固流化床内二元混合颗粒流动特性的数值模拟与试验研究

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气固流化床内二元混合颗粒流动特性的数值模拟与试验研究

作者：吕婉宁江苏大学

学位级别：硕士

气固流化床广泛应用于能源化工以及生物质利用等领域,是煤、生物质等燃烧和气化的主要反应器。针对不同直径颗粒对流化床气固两相流动特性的影响,以及混合颗粒的流态化行为进行研究对于提升气固流化床系统性能具有重要意义。本文基于计... 详细信息

气固流化床广泛应用于能源化工以及生物质利用等领域,是煤、生物质等燃烧和气化的主要反应器。针对不同直径颗粒对流化床气固两相流动特性的影响,以及混合颗粒的流态化行为进行研究对于提升气固流化床系统性能具有重要意义。本文基于计算流体力学和离散元方法(cfd–dem)相结合的数值模拟方法,对流态化过程中不同直径颗粒、混合颗粒中掺混不同比例粗颗粒等条件下的气泡形态变化以及颗粒运动特性进行了对比分析,并对数值模拟进行了试验验证。主要研究内容以及研究成果如下:(1)针对气固两相流数值模拟方法中影响较为重要的曳力模型、恢复系数以及摩擦系数等进行了敏感性分析。通过一系列模拟分析以及试验验证,最终选定了与试验吻合较好的数值模拟参数,即采用Huilin&Gidaspow曳力模型,恢复系数数值设置为0.9,摩擦系数数值设定为0.3。(2)基于cfd–dem数值模拟方法对直径分别为2.5 mm、3.0 mm和3.5 mm的Geldart D类颗粒在流化床中的气固两相流动过程进行了研究。通过高速摄影试验对数值模拟进行了验证,结果表明试验与模拟之间具有良好的一致性。研究了颗粒直径的变化对流化床内气固两相流的影响,对气泡形态、床层高度以及颗粒速度等进行了比较和讨论。结果表明进气流量越大,颗粒直径越小,流态化过程中越容易出现C型气泡。当C型气泡在流态化过程的前期出现时,会产生四气泡共存现象。随着颗粒直径的增加,流化床中床层高度最大值逐渐减小,达到最大床层高度的时间逐渐增加,颗粒沿Z轴方向速度绝对值逐渐减小。在流化床X轴方向上,颗粒速度的整体分布趋势为靠近流化床两侧的颗粒速度接近于零,而靠近流化床中部的颗粒速度较大。在相同进口流量的条件下,同一X轴位置处的颗粒速度随着颗粒直径的增大而减小。(3)对流化床中混合颗粒的气固两相流动过程进行数值模拟以及试验研究,探究了混合颗粒中不同掺混比例对流态化过程的影响。通过高速摄影试验对数值模拟结果进行了验证,发现仿真与试验之间的流动过程瞬时快照以及床层高度曲线的一致性较好。对混合颗粒中掺混不同比例粗颗粒的数值模拟结果进行了分析讨论,发现在颗粒总体积不变的情况下,粗颗粒掺混比例的增加会导致流态化过程中颗粒开始出现震荡分层的时刻延后。混合颗粒中细颗粒直径的不同以及粗颗粒占比的不同都会对C型气泡的形成与否以及其形成阶段产生一定影响。在细颗粒直径相同以及进口流量也相同的条件下,随着混合颗粒中粗颗粒占比增加,床层高度逐渐减小,颗粒沿Z轴方向的平移速度绝对值也逐渐减小。混合颗粒中粗颗粒占比的增加会导致在流化床X轴方向上的颗粒速度减小,且床层中均为细颗粒的曲线对应数值最大。

关键词： cfd–dem 气固流化床颗粒直径 Geldart D类颗粒颗粒掺混