陶瓷球与生物质半焦混合体在不同截面形状斜管中的速度特性

为了探索不同截面形状斜管对陶瓷球与生物质半焦混合固体颗粒速度分布的影响规律，设计了PIV冷态模拟试验装置。利用PIV技术对陶瓷球（粒径为1、2和3 mm）与生物质半焦不同质量比例（10∶1、30∶1和50∶1）的混合颗粒在3种不同截面形状（圆形、半圆半方形和方形）的斜管中（稳流阶段X=1 190 mm截面）流动规律进行了试验研究。试验结果表明:在3种不同截面形状斜管中生物质半焦轴向时均速度在yd＝0～1内形状分布都类似于“磁滞回线”；在混合颗粒质量比例为10∶1时，生物质半焦轴向时均速度分布基本不受截面形状影响，都可以用方管或半圆半方管来近似代替圆管进行试验；而在陶瓷球粒径为1和2 mm时，混合颗粒质量比例为30∶1和50∶1时，生物质半焦轴向时均速度分布受截面形状影响较大，不可以用方管或半圆半方管来代替圆管进行试验。      

热载体与生物质半焦散体颗粒的分离特性研究

在以固体热载体加热实现生物质快速升温热解液化工艺中,热载体与热解半焦颗粒的分离极为重要。为了研究陶瓷球热载体与生物质半焦颗粒的分离过程,设计制作了V型下降管冷态实验装置,并利用粒子图像测速仪对不同质量比(30:1,40:1,50:1,60:1)、圆形出口和方形出口条件下的颗粒分离规律进行了实验研究。研究表明,该装置能够保证热载体和生物质半焦颗粒喂料流畅、稳定且均匀,能够满足实验所需要的两种颗粒的不同混合质量比的要求;陶瓷球对生物质半焦颗粒的携带作用明显,受生物质半焦颗粒影响水平流动速度、轨迹的高度和射程减少50%左右;管口下底面与筛网的竖直高度应大于20mm,水平距离应大于32mm,筛网的水平投影长度应大于120mm,分离效果较好。     

下降管冷态热解液化实验台设计与应用

为了探索下降管式热解液化装置中生物质半焦和陶瓷球两种颗粒混合下落的运动规律,设计了下降管冷态模拟装置.通过冷态模拟,测试了陶瓷球和生物质半焦喂料器的稳定性和连续性,该装置能够实现两种颗粒的均匀、精确、连续喂料,能够满足实验所需要的两种颗粒的不同混合质量比的要求;PIV实验测试表明,该装置能够满足实验需要;陶瓷球和生物质半焦的混合,消除了PIV用圆管测试时由于光的反射和折射问题在管道轴线两侧所形成的许多亮白条纹,提高了数据的准确性.     

竖直下降管换热实验台改进设计与实

下降管式热解液化装置能够实现生物质热解液化.为了研究下降管中生物质半焦和陶瓷球两种散体混合下落的换热规律,在前期研究的基础上,对实验设备进行了改进设计,并将原实验物料--生物质粉更换为生物质半焦,使实验结果对实际装置的设计与改进更具指导意义.根据不同温度陶瓷球(50、60、70℃)与室温空气的换热实验,通过热平衡分析,得到了陶瓷球热载体与空气的对流传热系数h=600 W/(m2*K);陶瓷球与生物质半焦颗粒换热实验表明,不考虑边界效应时竖直管内温度呈线性分布;对流换热为竖直下降管系统热量传递的主要方式.     

固体热载体加热生物质的闪速热解特性

为研究固体热载体加热条件下生物质的热解挥发特性,在一竖直下降管模拟实验台上,利用粒子图像测速技术对陶瓷颗粒与生物质粉的混合流动规律进行了实验研究,分析了生物质颗粒在下降管内停留时间的计算方法。利用固体热载体加热下降管生物质热解实验装置,在400、450、500℃热解温度对玉米秸秆进行了热解实验,并在下降距离分别为100、400、700、1 200 mm位置处对热解炭粉进行了采样,利用灰分示踪法计算了其热解挥发程度。重复性实验表明各工况下的实验数据具有很好的重复性。通过实验数据与一级动力学模型的对比,发现二者之间差距较大,而在耦合生物质颗粒的运动规律后,实验数据与动力学模型吻合较好。     

固体热载体与生物质颗粒之间的传热研究

为研究生物质颗粒与陶瓷球固体热载体之间的传热规律,利用自制散体颗粒换热实验台对陶瓷球热载体与气体之间的对流传热特性以及生物质与陶瓷球颗粒之间的传热特性进行了实验研究。采用解析法和RMC关联式法分析出单陶瓷球颗粒与空气的对流换热系数分别为291.3W/(m2?℃)和200.3W/(m2?℃),确定的陶瓷球热载体与生物质颗粒群传热的准则方程分别为Nuc=176+0.079Rec和Nub=22.97+0.2251Reb,为固体热载体加热生物质热解规律的研究提供了理论基础。     

可视化循环流化床混合流动测量试验台设计与试验

当循环流化床作为生物质热裂解反应器时,为便于研究流化床内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动规律,设计了一套可视化循环流化床异质颗粒混合流动测量平台和相应的给料装置。流化床由石英玻璃制成,可满足对生物质热裂解过程的冷态与热态测量的要求。提升管为100 mm×100 mm×1 200 mm的竖直方管,生物质粉给料装置为刮板和螺旋两级喂料。在冷态试验条件下,利用粒子图像测速技术(PIV)对提升管内多孔陶瓷球与生物质粉的混合流动进行了测量。试验结果表明,设计的混合流动试验台能够满足不同流化气速下异质颗粒混合流动的测量要求。     

垂直下降管散体颗粒换热实验台设计与应用

为研究陶瓷球固体热载体与生物质粉颗粒及空气的换热机理,设计了一种分离式垂直下降管颗粒换热实验装置,该装置可以进行陶瓷球和生物质粉2种流动特性完全不同的散体颗粒的换热实验研究.喂料实验表明:陶瓷球和生物质颗粒下料均匀可调、分离完全.根据90℃陶瓷球与室温空气换热实验数据,分析计算出陶瓷球与空气的对流换热系数为291.3W/(m2·K);以陶瓷球质量流量为1.0、1.2、1.4kg/min,陶瓷球与生物质粉质量比为15、20、25进行的颗粒换热实验结果表明,随陶瓷球流量、陶瓷球与生物质粉质量比的增大生物质粉升温增大.     

陶瓷球固体热载体与粉状生物质的热平衡分析

为研究陶瓷球固体热载体与粉状生物质之间的换热规律,以90℃陶瓷球,在1.0、1.2和1.4 kg/min质量流量下与室温生物质粉在垂直下降管散体颗粒换热实验台上进行了热交换实验,通过热平衡分析确定了不同陶瓷球流量下生物质粉总吸热速率中对流换热、导热各自所占的比例.研究表明热传导在生物质粉吸热升温过程中占61%～87%;当陶瓷球流量从1.0 kg/min增大到1.4 kg/min时,热传导所占的比例减小,而对流换热所占比例增大19%以上.     

热载体加热器内颗粒流动实验台设计与试验

为了研究竖直热载体加热器内陶瓷球颗粒的流动特性,设计制造了一套可视化流场试验装置。利用PIV技术,对直径为2 mm的陶瓷球热载体在竖直管内的速度场进行了研究,并利用Tecplot对陶瓷球的涡量进行了局部涡量的提取,以研究陶瓷球涡量场分布特点和其局部特征。研究结果表明,陶瓷球颗粒的轴向速度分布近似呈抛物线状。在竖直管内不同挡板处,涡量场与速度场一样具有贴壁特征;同时内置挡板有利于增加陶瓷球与热烟气的换热时间和效率。     

下降管生物质热裂解液化反应器设计

以固体热载体加热工艺原理设计开发了一种新型下降管生物质快速热裂解液化反应器.详细阐述了反应器中的陶瓷球热载体换热器、颗粒喂料器、反应管、颗粒分离及热裂解气冷却系统等主要组成部件的结构,并对各部件的性能进行了试验测试.试验结果表明,热载体的温度与喂料速率控制精确,热载体与炭粉颗粒分离完全;空心锥喷嘴非常适合生物质热裂解气体产物的喷淋冷却,当喷嘴孔径为4.0mm、液体压力为0.2 MPa时雾化效果最佳,利用该喷淋冷却方式时秸秆类生物质热裂解生物油的收集率达到43％.     

下降管式生物质快速热解实验装置设计与实验

为了确定在固体热载体加热方式下反应温度和停留时间对生物质热解挥发特性的影响,设计了陶瓷球热载体加热下降管式生物质热解实验装置,并进行了生物质热解挥发特性实验。该实验装置能够对反应温度进行精确控制,实现生物质粉和陶瓷球热载体按比例连续均匀喂料及热解残炭样品的采集。实验物料为玉米秸秆粉,反应温度分别为450、500、550℃。停留时间通过反应物在反应管内下降距离间接测量,下降距离分别为150、550、850、1 150 mm。利用灰分示踪法计算得到了不同条件下生物质的热解挥发率。实验结果表明:玉米秸秆粉的热解挥发率随着热解温度的升高、下降距离的加长而非线性增大。     

生物质半焦FTIR分析及孔隙结构变化规律研究

利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和N2等温吸附/脱附法及扫描电镜对生物质半焦化学组成官能团的演变规律和孔隙结构特性进行表征,探讨生物质种类和制焦条件对热解半焦特性的影响。结果表明,热解温度的升高,半焦内部芳香结构增加,各官能团的数量和种类逐渐减少。不同生物质种类的半焦,吸附曲线差别较大。玉米秸秆半焦和松木屑半焦中主要以微孔为主,稻壳半焦以中孔分布较多,且600℃下半焦的孔隙结构变化最大。四种热解温度下半焦的分形维数范围为2.52~2.57,其中600℃下半焦的分形维数最大,吸附性能最强。随着热解温度的升高,生物质焦颗粒先后经历表面突起、突起破裂形成许多孔隙、孔隙变大等过程。     

竖直管内陶瓷球颗粒运动的PIV测量

利用PIV技术对陶瓷球颗粒在竖直管内的流动进行测量,为下降管中流动混合过程热交换规律的研究提供理论支持.实验结果表明:在所采用的下料方式下,陶瓷球的运动是一种匀加速运动;在运动过程中,陶瓷球之间有相互的碰撞,但次数很少;陶瓷球与管壁也有相互碰撞,而且比陶瓷球之间的碰撞几率要大得多.     

叶片式渣浆泵叶轮中浆体浓度分布数值模拟

离心式渣浆泵叶轮中固液两相流动，对于不同颗粒粒径有不同的运动规律和渣浆浓度分布。采用FLUENT软件，并以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模型，来对颗粒渣浆泵叶轮内部流动进行数值模拟，揭示其固体相的颗粒分布和运动规律，就能够比较精确地了解叶轮磨损的主要区域和磨损规律，这样有助于改善离心式渣浆泵叶轮的水力设计，减少磨损，提高使用寿命。对颗粒直径分别为0．5，1，2min时颗粒浓度分布进行了数值模拟，对颗粒相体积分布图的分析表明，模拟结果与实验结论基本相同。     

基于DPM模型的离心泵非定常固液两相流及磨损计算

运用离散相模型(DPM)结合半经验的磨损模型,模拟计算离心泵内非定常固液两相流动,探索固相颗粒运动以及对泵材料磨损的规律。计算中将液相视为连续介质,求解欧拉坐标系下的流体控制方程;把固体颗粒相视为离散介质,在拉格朗日坐标系下求解颗粒运动方程,采用迭代计算方法实现固液两相耦合。选取常用的IS型离心泵作为研究对象,清水作为连续相,石英沙粒作为离散相,粒径为0.05~0.2mm,泵进口颗粒体积率为0.5%~3%。计算得到了离心泵内固液两相流场特性,得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和材料磨损率分布等有价值的结果。     

后掠式双叶片污水泵固液两相流动规律的数值模拟

基于Particle模型,采用SIMPLEC算法、多重参考坐标系法对后掠式双叶片污水泵固液两相流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε双方程湍流模型,固体颗粒采用离散相零方程模型,分析了固相颗粒体积浓度分别为5%,10%,15%,20%,颗粒粒径分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mm时,固相颗粒在泵内的分布情况及其滑移速度的大小,从而进一步研究泵内过流部件的磨损情况,并探讨了颗粒浓度及大小对泵水力性能的影响规律.结果表明,颗粒直径一定时,随固相体积浓度的增大,颗粒运动轨迹偏向叶片吸力面;叶片压力面及吸力面尾部的后盖板处固体颗粒滑移速度增加明显,该处壁面产生磨损,因此设计时后盖板处应加厚;固体颗粒的粒径及固相体积浓度对泵水力外特性有着不同程度的影响,粒径增加,泵扬程、效率均下降;固相体积浓度增加,泵扬程增加、效率下降.样机试验表明:额定工况下效率为80%,扬程为11 m,设计合理,达到国内污水泵设计的领先水平.     

基于颗粒轨道模型的离心泵叶轮泥沙磨损数值预测

基于两相流颗粒轨道模型和Tabakoff磨损模型,对某型号单吸泵进行数值模拟得到不同泥沙条件和不同入口条件下颗粒运动轨迹和磨损规律。不同泥沙条件共设定7组方案,即颗粒质量分数为10%时,颗粒粒径分别为0.01、0.05、0.1、0.5 mm,以及颗粒粒径为0.5 mm时,颗粒入口质量分数分别为2%、5%、8%、10%。结果表明,离心泵叶轮的磨损主要分布在叶片工作面和后盖板;粒径增大,颗粒向叶片工作面进口边的运动速度增加,形成点状的冲击式磨损;粒径减小时,在叶片工作面靠近出口边处逐渐形成条状的擦伤式磨损;颗粒质量分数对磨损率影响十分显著,而对磨损形态和位置没有影响;颗粒在入口分布的均匀度越大,叶轮内磨损形态的分散程度及磨损位置的轴对称性越明显。     

旋风分离器颗粒运动规律的数值模拟研究

文章采用数值模拟方法对旋风分离器的内部流场和颗粒运动规律进行了研究,其中气相流场采用雷诺应力模型(RSM),气固两相流场采用离散相模型(DPM)。通过模拟结果,分析了二次流的成因以及入口位置、粒径、二次流对颗粒运动规律的影响。结果表明:旋风分离器内存在四种形式的二次流。入口位置和粒径不同时,颗粒会受到不同的二次流作用,从而呈现出不同的运动情况。入口位置过低,颗粒容易受短路流、纵向涡流和偏心环流的影响。入口位置升高后,颗粒受到纵向涡流的影响较大。入口位置过高,颗粒则受短路流和贴壁环流的影响。细微颗粒受四种二次流的影响均较大,小颗粒主要受纵向涡流和偏心环流的影响,大颗粒受偏心环流和短路流的影响较大。     

不同管径水平管道气液两相流动数值模拟

为更好了解管道中的气液两相流运动过程,揭示气液在不透明管道中的分布规律及运动形态,提高管道自压输水在实际工程中的安全性.基于已有研究成果,应用Fluent软件进行三维水平管道的数值模拟研究,并分析了不同管径、流速下两相流流态,及压力、流速等各项水力要素的变化.结果表明:三维CFD模拟可较好地展示管道气液两相分布规律;增大液相折算速度可以发生流型的转化,随着管径的增大,气泡流-塞状流的过渡表现为更高的液相折算速度,从80 mm管道中的小于4 m/s过渡到160 mm管道中的4 m/s;随着液相折算速度和管径的减小,由气团引起的压力波动随之减小,其中2.8 m位置处的最大压差由9 439.2,12 826.5 Pa减小到9 136.0 Pa;管道上壁面流速下降梯度高于下壁面,且气泡越大,差值越明显.工程上认为若无法避免输水过程中的气体存在,采用较小的液相折算速度和管径时,由气团引起的压力波动随之变小,认为此时管道更为安全.