杨世亮[1]2014年在《流化床内稠密气固两相流动机理的CFD-DEM耦合研究》文中指出稠密气固两相流动广泛存在于能源、化工、冶金等工业应用过程中,对其深入研究既有助于对固相输运特性以及气固两相间相互作用机理的揭示,也能为工程实际中密相设备的设计和放大提供指导。本文在欧拉-拉格朗日耦合框架下,发展了可对复杂结构床体内稠密气固两相流动进行大规模并行计算的计算流体力学耦合离散单元法(CFD-DEM)模拟平台,其中对流体运动的求解在计算网格尺度进行,而固相运动的求解则在颗粒尺度层面对每个颗粒运动轨迹进行跟踪。同时,将稠密两相流动中气固之间对流换热以及颗粒之间导热传热耦合进计算框架,并加入了预测管壁磨损分布的子模块。基于该计算平台,对几种工业过程中典型密相流化设备内两相流动机理进行了分析；同时,借助于离散单元法追踪颗粒的优势,从颗粒尺度层面对固相的重要运动特性进行研究。研究内容主要包含以下叁个部分：第一部分为叁维鼓泡流化床内气固输运特性以及埋管传热和磨损机理研究。首先对叁维鼓泡流化床内气固两相运动及其与气泡之间的交互进行了研究,并从颗粒尺度揭示了系统内固相耗散和湍动特性,同时考察了气固两相之间的传热特性。接着,基于单根埋管鼓泡流化床,阐释了埋管周向不均匀换热系数分布特性与其周向气固流动分布特性之间的强耦合关系,并揭示了不同传热机理在其传热过程中的作用。最后,对比研究了管排方式对密相流化床内气泡运动路径、固相浓度、颗粒耗散及其混合的影响,并揭示了预测管束磨损分布的时均物理量。第二部分是叁维喷动流化床内固相输运机理以及带隔板双体矩形截面狭缝喷动床内流动特性分析。首先研究了叁维喷动流化床内喷动-环隙区间相互作用边界的特性及参数对其的影响,同时从颗粒尺度层面统计了固相在系统内的循环及其在不同区域的停留和耗散特性。此外,考察了操作参数(表观气速、颗粒粒径)及床体放大对这些特性的影响。接着,对实验室尺度的带隔板叁维矩形截面狭缝双体喷动床内时均流动特征进行了分析,并揭示了喷动区边界特性以及喷动区-环隙区之间作用的强度参数,同时研究了隔板高度对系统腔室间作用的影响。第叁部分研究了带隔板内循环流化床内典型气固流动特征及固相停留和耗散特性,同时量化研究了叁维整床循环流化床内采用双侧返料方式对提升管内气固流动不均匀性改善程度。首先深入分析了内循环床内气固流动机制,标识了床体内气泡优先上升路径及固相优先循环路径,同时研究了操作条件(流化风速和颗粒直径)和床体结构参数(隔板倾角、热交换腔侧墙倾角、隔板底部通道高度等)对固相循环、停留和耗散特性的影响。接着,对叁维双侧返料循环流化床内全床气固流动的分布特性进行了研究,考察了提升管内复杂稠密流动及其典型流动特性。在颗粒尺度层面得到提升管内固相耗散、停留、受力及旋转方面的信息,以及气固两相在旋风分离器、立管及返料阀内的运动特性。此外,对比单侧返料方式,定量考察了双侧返料对改善提升管内气固流动不均匀性的效用,以期能为设备设计及放大提供理论支撑。
唐天琪[2]2017年在《气固流化床内湿颗粒流动特性DEM模拟及实验研究》文中研究指明流化床由于其良好的床内等温特性而在工业中得到十分广泛的应用。为了分析流化床内颗粒的流动特性并更好的指导工业生产和反应器设计,国内外研究者针对流化床内颗粒流动特性进行了大量的研究。但目前的研究多集中于干颗粒系统,而在实际生产过程中不可避免有液体存在,导致颗粒的流动特性与干颗粒有着很大的不同。因此,本文以湿颗粒系统为研究对象,应用离散单元模型对单喷口喷动床、双喷口喷动流化床及提升管内湿颗粒流动特性进行数值模拟研究,同时应用粒子图像追踪技术对颗粒流动特性进行测量。基于离散单元软球模型,通过在颗粒合外力项添加液桥力模型,考虑颗粒含湿率对气固流动特性的影响,建立含湿颗粒离散单元软球模型。在气相运动方程中加入动态大涡模型,充分考虑气相湍流运动对颗粒流动特性的影响。同时,选取合适的颗粒与壁面之间的参数描述颗粒在壁面处的运动行为。基于PIV测量技术搭建了单喷口喷动床实验台,对湿颗粒流态化特性进行实验研究,并应用建立的湿颗粒流动离散软球模型对相应实验工况下的湿颗粒流动特性进行数值模拟,验证数学模型的正确性,获得单喷口喷动床内湿颗粒流动特性。研究结果表明,与干颗粒系统相比,颗粒的流态化行为明显减弱,随着相对液体量的增加,颗粒系统中形成更为明显的气体通道;床层上部,形成明显的颗粒聚团,并粘附在喷动床内表面。应用建立的湿颗粒流动离散软球模型,对双喷口喷动流化床内湿颗粒流动行为进行了数值模拟研究,分析不同相对液体量对颗粒流动特性的影响,并对比了喷口数量对颗粒流动特性的影响。研究发现,由于喷口数量的增加,颗粒的循环流率降低,但床内颗粒的混合更加充分,碰撞频率增大,说明喷口数量的增多可为颗粒系统提供充足的传热和传质空间。应用建立的湿颗粒流动离散软球模型,对提升管内的湿颗粒流动行为进行了数值模拟研究,与参考文献中的实验数据对比,验证模型的合理性,并获得提升管内湿颗粒的流动行为。结果表明,湿颗粒在提升管底部和墙壁两侧形成明显的颗粒聚团,颗粒分布呈现两侧高中间低,并以聚团形式集中分布在提升管入口,沿轴向分布不均匀。随着相对液体量的增加,颗粒的脉动行为逐渐变得剧烈,说明了干颗粒和湿颗粒的流态化行为存在着较大差异。
褚开维[3]2001年在《流化床中气固两相相互作用行为的数值模拟》文中提出由于传统实验方法测试技术的局限性和所得数据的不完全性以及高昂的实验费用，到目前为止，人们对流化床内在运行机理的认识仍处于初级阶段。为了用数值模拟方法来弥补传统实验方法的不足，达到从单个颗粒的尺度上来研究流化床中颗粒的运动和气体流场的剧烈变化情况的目的，本论文建立了基于用Newton第二定律计算单个颗粒运动轨迹的离散颗粒法（DPM）和基于区域平均值的计算流体动力学方法（CFD）的数学模型的建立和求解过程；并依据Newton第叁定律建立了DPM模型和CFD模型的耦合模型，编写和调试了DPM和CFD的耦合程序。文中给出了DPM、CFD和耦合程序的程序流程图以及耦合程序的数据传递过程示意图。 用所编程序对二维流化床初步的动态数值模拟研究，清晰地反映了二维流化床中颗粒运动轨迹和流场变化规律。所得到的气固两相相互作用过程的动态演示、床层压降随时间变化的曲线以及床层压降与入口气流速度的关系曲线均与实验结果相似。本程序为用数值方法进一步研究流化床中气固两相的传热传质过程或者其它气固两相的相互作用行为奠定了基础。
范金禾[4]2006年在《喷动床中气固两相流数值模拟》文中认为本论文重点对大颗粒流态化水泥熟料煅烧装置喷动床中物料动力学特性进行数值模拟,旨在通过深入了解喷动床中大颗粒流态化现象,为具有自主知识产权的新型流态化水泥熟料煅烧装置的工业化提供理论指导。 针对气固两相的流动特点,用离散颗粒法模拟颗粒相,用连续介质法模拟气相,气固相间耦合采用牛顿第叁运动定律,建立气、固两相运动的物理和数学模型,自主开发出叁维喷动床、流化床内气固两相流动的数值模拟程序,可用于预测床层内气体、颗粒的运动规律、压降及不同操作条件下的流化状态。 数值模拟0.11×0.012×0.9m叁维大颗粒喷动床内气固两相运动规律,模拟结果显示:在入口气流速度22m/s时,喷动床内存在明显的喷射区(颗粒流动通道)及颗粒滞止区;喷射区位于床层中部,其宽度沿床高方向不断增大,最大宽度为喷动床宽度的1/5～1/4;颗粒滞止区在壁面附近,滞止区的高度和宽度分别为床宽的3/4和1/4;床内颗粒流型呈现不对称性,中心区的颗粒自下而上运动,近壁区颗粒自上而下运动,形成床内颗粒整体循环运动;床层压降随入口气流速度的增大而增大,当入口气流速度为30m/s(表观气速2.73m/s)时,压降达到最大值(4100Pa),入口气流速度继续增大,压降稍有降低,但基本恒定;床体压降随颗粒密度增大而增大。
程易[5]2000年在《气固两相流动数值模拟及其非线性动力学分析》文中研究指明气固流态化技术在化工、石油化工以及能源等领域取得了许多重大的进 展。近些年来，尤其以高速流态化过程如提升管和下行床的研究和应用倍受关 注。但是，由于气固两相流动过程非常复杂，反应器的设计和放大目前仍依赖 于经验或半经验。 本论文使用先进的计算流体力学模拟和非线性分析的方法针对几个重要的 流态化过程研究了系统的时均流动行为和瞬态脉动行为，从不同的角度深层次 地揭示了气固两相流动过程。 论文第一部分根据下行床中气固两相快速流动和颗粒浓度较高的特点，推 导并建立了湍流气相-湍流颗粒相的气固两相流动模型（k-ε-θ-k_p）。该模型引入 颗粒相动力学理论描述了颗粒碰撞产生的颗粒粘度和颗粒压力，并且综合考虑 了气固两相湍流，即气相采用k-ε湍流模型描述，颗粒相采用k_p湍流模型，因 此完善了对气固两相流动的模型描述。针对气固两相管流过程，本文提出的壁 效应假设是气固两相反应器放大的一个新思路，即认为颗粒相以非弹性碰撞的 机制在边壁处耗散能量，边壁只对近壁区流动产生影响，对管内流场的影响从 壁面向床中心逐渐扩展并减弱。由于上述模型耦合了气固两相的湍流描述和颗 粒间的碰撞作用，因此适合于描述在广泛的操作范围内的气固两相管流过程。 与同类计算流体力学模型相比，该模型在学术价值以及用于工程模拟气固两相 流动方面更具有优越特性。 本文开发了3维流场下模型求解计算程序，使用上述模型成功地预测了下 行床完全发展段气固两相径向流动结构，以及均匀入口条件下的下行床内气固 两相流动沿轴向的发展过程。模型预测的颗粒浓度和颗粒速度的径向分布以及 压力的轴向分布与大量的前人的实验研究获得满意的比较结果。进一步地，用 此模型对下行床完全发展段的放大行为进行了预测，预测结果合理。这为深入 考察下行床的放大以及下行床的工业化提供了理论支持。 考虑到下行床适于超短接触过程的特点，本文针对单一颗粒射流的下行床 入口结构，使用光纤密度探头和激光多普勒测速仪详细研究了下行床入口段颗 粒射流的发展过程。用k-ε-θ-k_p模型成功地预测出该2维流场的大量气固两相 ） ＼ 摘 要流动规律，模型预测与实验结果吻合很好。这为下行床复杂入日结构的设计和反应器的开发奠定了基础。实验和计算流体力学的研究同时发现，下行床中颗粒相的质量扩散系数与局部颗粒含率存在很强的关联，低颗粒含率条件下，颗粒的径向扩散系数较大，但随着颗粒含率的提高，扩散系数降低且在一定的颗粒含率范围内基本保持不变。这为深入理解下行床中的颗粒混合行为提供了一个新的方法。 论文的第二部分对较宽的气固两相操作过程中局部瞬态行为进行了非线性动力学的比较分析。结果表明，瞬态行为的统计分析结果和混沦参数能够正确地表征流动结构，而且从另一个角度揭示了时均流动结构的特点，也是对时均流体力学深层次刻划的一个重要突破口。 大量数据的分析表明，采用局部瞬态行为分析可以对湍床、快床和输送床在内的气固并流上行过程以及下行床的发展段进行统一的对比分析。间歇指数和 Kolmogorov嫡与局部颗粒含率具有明确的关联。当局部颗粒含率低于或高于0刀5左右时，局部的系统动力学行为存在明显的不同。对气固两相流动在不同的颗粒浓度范围可能具有不同的局部动力学相似行为的定量表述是本工作的另一个创新点。 作为瞬态行为）「线性分析的一个前沿应用，本文以鼓泡流化床中混沦鼓泡行为的控制为切入点，探索研究了一个极具挑战性的新领域—－混if h控制。在）Q期扰动进气的条件下，系统中混炖的鼓泡行为转变为周期的动力学行为，而0随着驱动频率的不同，系统中出现不同的鼓泡模式。同时2维和3雏流化床中的周期鼓泡行为表现形式有所不同。这种在周期的外加扰动下，（「线性系统表现出的有序运动状态暗示了气固两相受迫运动下的重新组织过程。对这一全新物理现象的理解将有助于更深入地认识两
田晨[6]2011年在《炉膛结构对循环流化床气固流动特性影响的研究》文中认为循环流化床作为一项高效、清洁的燃烧技术近年来有了迅速发展,特别是随着循环流化床机组呈现大型化高参数化的发展趋势,炉膛结构布置对炉内气固流动特性的影响是该技术发展的关键问题之一。本文依托十一五国家科技支撑计划子课题项目《超临界循环流化床锅炉整体布置方案》,开展了炉膛结构对床内气固流动分布特性影响的试验研究和数值模拟计算工作,为研究开发设计具有自主知识产权的600MW超临界循环流化床锅炉提供理论基础。本文首先在自行搭建的350m×480m×4.9m的矩形截面冷态循环流化床试验台上,利用高速摄影技术和粒子图像测速(PIV)以及PC6D型光纤颗粒浓度探针,对试验台密相区、过渡区、稀相区段内的颗粒速度浓度分布情况进行了试验测量,着重考察了不同结构布置(不同密相区结构、过渡区后墙台阶、二次风口、稀相区挂屏以及炉膛出口大小,布置位置等)对炉内的局部区域的气固流动分布的影响。试验结果表明当密相区采用单侧后墙渐扩型结构时,床内底部颗粒的流动速度及浓度分布在前后墙方向上均呈非中心对称分布,气泡和颗粒向渐扩的后墙方向偏转且返混现象剧烈,后墙附近区域颗粒浓度明显高于前墙；过渡区截面内后墙台阶结构的布置改变了该区域的气固流动分布,在靠近台阶区域,颗粒流动偏转现象明显,台阶结构的上下两端均易出现大量颗粒的聚集和碰撞；稀相区段的气固流动分布则主要受出口效应控制,颗粒速度和浓度的最大值分布于出口位置处。加大炉膛出口尺寸后,稀相区段颗粒相的径向速度增加明显,同时稀相区颗粒浓度略有增加；稀相区屏式过热器的布置增加了该区域的壁面约束,在挂屏间隔区域颗粒流动呈现类似“环核”结构的分布情况,同时在挂屏边壁区域有明显的较高浓度的颗粒回流形成。其次本文通过对循环流化床内气固流动数值模拟方法和模型的综述与比较,特别是考虑到前期气固流动模拟中传统曳力模型的局限,引入了基于能量最小多尺度(EMMS)模型的新曳力计算方法,并结合以颗粒动力学理论为基础的双流体模型,利用Fluent6.3计算软件对循环流化床冷态试验台及多结构方案布置的600MW超临界循环流化床锅炉内的气固流动特性进行了数值模拟和分析,重考察了不同出口布置方式,稀相区挂屏布置方式和底部密相区结构等对炉内流动情况的影响。数值模拟计算结果表明：炉内颗粒浓度的轴向分布以裤衩腿高度为分界,在底部裤衩腿区域,颗粒的浓度分布和速度分布在床层径向方向上呈现明显的“w”和“M”形分布；与试验结果相对应,炉膛出口的布置情况决定了稀相区截面内气固流动分布,在采用出口紧凑布置时,炉膛各出口流率分布均匀,波动较小,增加分离器数量有利于出口流率的均匀分布；加入挂屏布置后,稀相区段颗粒浓度整体有所增加,同时在挂屏非均匀布置条件下,炉膛出口流率不均匀性增加,而采用挂屏均匀布置后,各出口流率变化不大,均匀性较好；采用单炉膛密相区结构时,炉膛底部区域的颗粒浓度要略大于双炉膛裤衩腿布置方式,另外受二次风穿透能力影响,单炉膛布置的底部截面中心位置处颗粒的径向混合较差,局部的高浓度和低浓度均有出现。最后结合冷态试验和实炉尺寸循环流化床气固流动数值模拟的计算结果,本文给出了600MW超临界循环流化床整体布置方案的设计建议。
王迎慧[7]2004年在《磁流化床气固两相流动特性及其应用的研究》文中提出磁流化床利用外加磁场调节、控制床内的气固两相流动，可以实现鼓泡流化到稳定流化的转变，在磁稳流化状态下，流化床具有无气体短路、气固接触好、床层压降小、流通截面大等优点，弥补了常规流化床的不足，有望在环境保护、分离吸附、生物与化学反应等工业领域得到广泛地应用。深入、系统地研究磁流化床的气固两相流动的特征对指导磁流化床的工程设计、运行，促进磁流化床的应用推广有着十分重要的意义。本文首先从理论上建立了磁流化床气固两相流动的动力学模型。磁流化床中的气固两相流属于有磁场力作用的稠密气固两相流，故本文着重从解决磁流化床中气固两相之间的耦合作用出发，基于双流体模型，结合颗粒运动的动力学理论，构建出描述磁流化床气固两相流动特性的控制方程。它不但有效地解决了固相颗粒的湍动以及颗粒间的碰撞、摩擦等因素对气固两相流动的影响，而且考虑了气固两相之间湍动能的相互作用，更好地反映出气固两相的湍动对各自流场分布的影响。应用计算流体软件FLUENT对磁流化床气固两相流动进行数值模拟。数值计算主要考察磁场强度对气固两相流动的影响，本文通过对无磁场、弱磁场、适度磁场的两种粒径的颗粒分别在叁种气体表观流速比的工况下的气固两相流动进行数值计算，得到反映其流动特征的固相体积浓度分布、床层压降分布。同时，将数值计算结果与实验研究获得的数据进行比对，证明了本文所建立的模型的适用性以及数值模拟预测结果的可靠性与准确性。为充分地掌握磁流化床气固两相流动的机理，在数值模拟的同时，本文还对磁流化床的流化特性进行了实验研究。实验中采用数字式差压传感器对床层压降及波动进行了测定，并以此确定出磁流化床颗粒流化的最小鼓泡流化速度，进而得到各工况条件下磁稳操作区域的范围。在实验研究的基础上，结合实验数据，对无量纲数Re、Ar、Er进行回归分析，得出确定磁稳区域的实验关联式。根据关联式可方便地给出磁稳流化床具体的运行参数，这对磁稳流化床的应用研究有着积极意义。研究磁流化床气固两相流动特征的目的就是为磁流化床的应用研究提供理论依据。本文在已有研究的基础上，面向工程应用，设计出具有一定实用价值的磁稳流化床除尘装置。设计中就装置的关键部件，如床体结构、布风板、磁场发生器、滤料再生系统等给出了优化设计方案，并对所设计的除尘装置的除尘性能进行了实验验证，分析得出了磁稳流化床除尘装置连续、高效运行的基本条件。
郭利泉[8]2011年在《大型振动流化床气固两相流态化分析》文中研究指明振动流化床是将振动能量引入到流化床中的一种新型床层形式,与普通流化床相比,具有降低起始流化速度和床层压降、提高床层均匀性和稳定性等优点,在颗粒分选和干燥等方面有着广泛的应用。深入、系统地研究振动流化床气固两相的流动特性,对振动流化床的设计、运行有十分重要的意义。本文从理论模型、经验公式计算和数值模拟叁个方面分析和研究了振动作用、风速、颗粒粒度等参数对床层流态化的影响。首先基于双流体模型、在对固相拟流体化的基础上建立了振动流化床气固两相流动的动力学模型；其次,选定数值模拟的求解方法,通过计算区域网格划分、控制方程离散、定义模型边界条件,选用相间耦合的SIMPLE算法,采用一阶隐式的迎风格式等步骤对振动作用下的流化床气固两相流动进行了数值模拟,最后采用FLUENT软件得到数值模拟的结果,并进行分析。通过数值模拟结果可以看出,振动对流化床床层的流化效果具有显着的影响。振动作用的加入,使得流化床床层扰动减小,床层流化均匀稳定。在相同的烟气速度条件下,本文考虑了无振动情况、较低振动频率和适度振动频率条件下,振动流化床床层的流化情况,可以明显的发现,由于振动对床层中气泡的挤压和破碎作用,振动的加入可以使床层压力波动减小,褐煤颗粒分布均匀稳定,且加大了褐煤颗粒的运动速率和床层高度；在同一振动频率条件下,随着气速的增大,振动对床层均匀幅度提高的程度减小,说明流化气速对床层的均匀稳定性起相反的作用；且通过不同颗粒粒度条件下的数值模拟结果,不难发现颗粒粒度越小,床层流化效果越好。
吕小林[9]2015年在《鼓泡流化床中结构与“叁传一反”的关系研究》文中研究说明鼓泡流化床在微观上存在颗粒,在介观上存在气泡及乳化相,是个复杂多尺度结构,其中气泡的汇聚和破碎,以及颗粒群的聚散对气固间传递具有重要的影响。这使得研究鼓泡流化床内介观结构与传递之间的关系尤为重要。目前鼓泡流化床结构主要通过单个结构参数如气泡或聚团,或采用稳定条件的方法来研究,封闭建模的方法很少被采用。同时,过往描述鼓泡流化床气固曳力以及传质系数时,常采用拟均匀结构的方法,这没有体现鼓泡床内非均匀结构特性,特别是介观结构的作用。针对以上问题,本课题将根据力平衡,质量守恒定律及经典的经验公式,建立封闭模型得到鼓泡流化床内介观结构参数,从而进一步研究介观结构与动量传递、质量传递及反应过程之间的关系。具体过程为采用多尺度分析方法,建立结构参数模型,再通过动量守恒、质量守恒定律建立基于不均匀结构的曳力系数模型和传质系数模型,并与双流体模型相结合分析气固流动行为,以及采用臭氧分解和CO催化氧化为模型反应分析流化床内传质与反应,进而验证理论模型的正确性。针对鼓泡流化床复杂的结构,先对整个床层进行尺度分解,再根据力平衡、质量守恒及经典的结构关联式,建立可描述鼓泡流化床内部结构的结构参数模型,以及根据动量、质量守恒定律建立基于不均匀结构的曳力系数模型。在研究过程中,描述鼓泡流化床的六个结构参数通过结构参数模型封闭求解得到。对比计算结果中的各个结构参数之间关系,可以发现各个结构变量能正确描述鼓泡流化床,并能反应鼓泡流化床结构参数之间的关系。动量传递与床层结构密切相关,也是质量传递研究的基础。为研究床层结构对动量传递的影响规律,本文借用Fluent中自定义函数将结构参数模型以及基于不均匀结构的曳力模型耦合到双流体模型中,对A、B类颗粒在鼓泡流化床中流动行为进行二维或叁维模拟。在模拟过程中对A类颗粒在二维叁维床中的轴向、径向颗粒浓度,运动速度大小及方向等进行分析研究。模拟结果显示颗粒运动呈现中间向上运动,边壁向下运动形态,并显示出明显的环核结构,而且二维叁维轴、径向颗粒浓度与实验值基本吻合。在B类颗粒模拟中,通过分析可以清晰看到气泡的形成,生长过程,以及完全流态化后气泡稳定的运动形式。在前面对结构以及动量传递的研究基础上,进一步研究鼓泡流化床内结构和质量传递的关系。首先根据物料守恒建立乳化相结构传质系数以及相间相结构传质系数,以及局部平均结构传质系数。采用臭氧分解作为模型反应,分析了臭氧在流化床内浓度分布以及传递的控制步骤。结果显示在鼓泡流化床内气泡相和乳化相之间的目标组分交换是臭氧分解的控制步骤,同时通过与实验值比较,结构传质系数模型能很好预测臭氧浓度分布。最后采用CO催化氧化对鼓泡流化床质量传递进行实验研究,弥补文献上鼓泡流化床质量传递实验控制步骤模糊这个不足之处。在消除外扩散影响下,测量CO催化氧化的指前因子和活化能。此外在鼓泡流化床中测量轴向浓度及出口浓度。通过CO催化氧化的动力学分析可知此反应在速度0.017m/s-0.025m/s属于外扩散控制,并测得表观动力学方程为：R(cco,co2)=120572exp(-42140/RT)cco-1co2。同时在模拟结果中CO的轴向浓度,出口浓度预测结果与实验数据吻合良好。
周航[10]2017年在《制药流化床颗粒制备过程数值模拟及实验研究》文中指出流化床因其高效的气固混合特性,且可同时完成颗粒的干燥、混合、包衣和制粒过程,成为制药工业中广泛采用的反应器。其中,带有Wurster芯管的底喷流化床是制药工业普遍采用的一种设备,可有效避免湿式死床和颗粒聚团现象的产生,加强颗粒的分散性,提高包衣效率和成品质量。但由于底喷流化床中气固两相流动本身的复杂性及结构的特殊性,监测运行过程中床内气固流场的变化、优化床体结构和运行工况、保证包衣效率和成品质量也变得更为复杂。寻找合适的方法监测制药流化床中的复杂气固两相流动及颗粒干燥过程、优化床体结构和运行工况,成为提高生产效率、保证制药产品质量的前提。本文以制药流化床为研究对象,结合数值模拟和实验测量方法,研究Wurster流化床中的复杂气固两相流动,探究不同曳力模型、几何尺寸和运行工况对床内流场的影响,为之后Wurster流化床数值模拟中模型的选取及其几何结构和运行工况的优化提供理论基础和方向指导。同时,结合颗粒干燥叁相数学模型,对制药流化床中的颗粒干燥过程进行研究,并与数值模拟方法进行结合和对比分析。论文主要从以下叁个方面展开:首先,针对Wurster流化床中的流场特性及数值模拟模型的选择,本文基于欧拉-欧拉双流体模型数值模拟方法和电容层析成像技术(ECT),对Wurster流化床内的气固流动进行了叁维非稳态数值模拟和实验测量,研究了床内的复杂气固两相流动特性,探究了不同曳力模型对流场数值计算结果的影响。通过与实验测量结果进行对比,得出了适用于Wurster流化床数值模拟的曳力模型。数值模拟结果准确地再现了流化床"上稀下浓"的分布特征、颗粒在床内四个区域中的连续循环状态及密相区气泡的产生和分布。床内的压力损失主要集中在床层底部,且压力信号表现出很强的周期性。Wen-Yu和Gidaspow曳力模型计算结果与ECT测量结果吻合较好,而EMMS模型计算结果并不能准确再现气泡的产生与分布,与ECT测量结果相差较大。其次,为了对Wurster流化床的几何结构和运行工况进行优化,本文基于欧拉-欧拉双流体模型数值模拟方法和电容层析成像技术(ECT),利用Wen-Yu曳力模型,研究了不同芯管与布风板间距、芯管高度、芯管直径和表观风速对床内气固流场的影响,寻求各个变量参数的优选值。同时,对各参数的计算结果进行敏感性分析,得到了各参数对流场特性的影响程度,为之后流化床的优化提供了方向。研究结果表明,芯管直径对床体内的气固流场变化的影响程度远远大于芯管与布风板间距和芯管高度;当主要考虑气泡行为特征时,芯管与布风板间距、芯管直径和芯管高度对气泡当量直径的影响程度均较大。最后,本文结合颗粒干燥叁相数学模型和数值模拟方法,对制药流化床中的干燥过程进行了研究。同时将两种方法的计算结果进行对比,探究了将两种方法结合的可行性。研究表明,颗粒在干燥过程中依次经过预热阶段、等速率干燥阶段和降速率干燥阶段;气固两相间的热交换和质交换主要发生在气泡相与颗粒间的交界处;床体结构、表观风速和颗粒参数对颗粒干燥过程有很大的影响;且干燥过程中,颗粒湿度和温度近似为一一对应的关系;Gunn关系式与欧拉-欧拉双流体模型的耦合并不能很好地再现流化床中具有相变和传热过程的气固两相流动过程。基于上述研究,本文很好地再现了制药流化床中的气固两相流动过程及颗粒干燥过程,给出了曳力模型、芯管结构及表观风速的优选值,得到了各参数对气固流场特性的影响程度,为之后制药流化床数值模拟研究方法的选取提供了依据,为流化床结构和流场的进一步优化提供了方向和理论基础,为颗粒干燥过程的进一步研究和优化提供了指导。
参考文献：
[1]. 流化床内稠密气固两相流动机理的CFD-DEM耦合研究[D]. 杨世亮. 浙江大学. 2014
[2]. 气固流化床内湿颗粒流动特性DEM模拟及实验研究[D]. 唐天琪. 哈尔滨工业大学. 2017
[3]. 流化床中气固两相相互作用行为的数值模拟[D]. 褚开维. 西安建筑科技大学. 2001
[4]. 喷动床中气固两相流数值模拟[D]. 范金禾. 西安建筑科技大学. 2006
[5]. 气固两相流动数值模拟及其非线性动力学分析[D]. 程易. 清华大学. 2000
[6]. 炉膛结构对循环流化床气固流动特性影响的研究[D]. 田晨. 浙江大学. 2011
[7]. 磁流化床气固两相流动特性及其应用的研究[D]. 王迎慧. 东南大学. 2004
[8]. 大型振动流化床气固两相流态化分析[D]. 郭利泉. 东北大学. 2011
[9]. 鼓泡流化床中结构与“叁传一反”的关系研究[D]. 吕小林. 中国科学院研究生院(过程工程研究所). 2015
[10]. 制药流化床颗粒制备过程数值模拟及实验研究[D]. 周航. 中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所). 2017
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