气固两相流管道流动阻力特性数值模拟

为掌握气固两相流的流动阻力特性,利用计算流体动力学软件CFX,对直管段及水平弯管进行气固两相流数值模拟。采用欧拉一拉格朗日法选择数值模拟计算模型,根据模拟对象工况,确定软件模拟条件。通过模拟,对管道系统的特性、操作条件、物料和气体的性质等影响气固两相管流压力损失的主要因素进行了探讨,对连续相速度和压力分布特性以及颗粒运动轨迹进行了分析,得到了气固两相管流的压力场、速度场分布,颗粒在管内的分布情况和运动轨迹,以及不同工况条件下的系统阻力和颗粒沉积量分布规律,并确定了在特定条件下能耗最小的经济流速。研究成果可为气固两相流的工程设计和理论研究提供参考。（图18,表2,参10）。     

煤层气采气管道压降特性试验

煤层气的排采特性决定了进入采气管道的煤层气同时含有水和粉尘等颗粒杂质,气体在流动过程中的压降损失势必受到水和固体颗粒的影响。为此,利用试验环道模拟煤层气集输管道多相介质的流动特点,试验研究了气液两相和气固两相流动的压降特性,得出如下结论：煤层气采气管道气体流速应控制在4～8m/s范围内,并应适当采取清管等措施,减少固相沉积物;采气管道水力计算可以忽略固体颗粒的影响而采用气液两相压降计算方法。（图6,参7）     

考虑温度场条件下的Y型喉管流场特性分析

Y型喉管是气力输送系统中料气混合的核心部位,气固两相之间的能量交换带来的损失以热量的形式体现出来,引起气固两相温度发生变化,影响输送系统的两相流动特性。利用双欧拉模型,应用Fluent对考虑温度场条件下喉管内气固两相流进行数值模拟仿真,分析气固两相混合带来的温度变化对内部流场的影响规律,得到考虑温度场条件下的两相流动特性。结果表明:与不考虑温度场相比,Y型喉管内料气混合阶段的气固两相温度均升高,气相温度最终比固相温度低0.5℃;能量的散失使得小麦颗粒水平有效运动速度降低13.7%;气相温度升高,黏性增大,导致系统压损升高16.6%。结论与试验结果基本一致,证明了仿真模型的正确性,但因为颗粒碰撞以及气相与壁面摩擦等因素的影响,实际温度变化与压损都较模拟结果增大。     

粮食颗粒流动特性的试验与数值模拟

对气体相湍动能采用修正的k-ε二方程模型,颗粒相湍动能采用颗粒动力学方法,考虑两相间的相互作用,应用气-固两相流的欧拉-欧拉双流体数学模型。利用数值方法模拟垂直管内上升流动的行为,得到了管道沿程压降、平均颗粒速度的变化以及输送方向上不同截面处的压力分布。将该模型运用到垂直管气力输送中,结果表明,模拟结果与试验测量结果吻合较好。     

环挡板对提升管反应器内气固两相流动的影响

为改善提升管反应器内气固两相速度及颗粒浓度径向分布的环-核特征,采用欧拉两相流模型和SIMPLE算法,对添加3种不同形式环挡板的提升管进行了流场与浓度场的分析,并与传统提升管进行对比.计算结果表明:添加环挡板并不能减弱提升管内气固两相的轴向返混,对于某些特定结构甚至还会出现明显的涡流现象;在提升管内添加环挡板能够较大程度地改善气固两相径向的速度分布和浓度分布,使主体段的流动更加接近平推流状态,有利于控制反应的进行.合理设定提升管中环挡板的结构和位置,能够改善气固两相的流动状态,从而控制和优化反应时间.     

气液两相流管道流固耦合问题

气液两相流的不稳定流动和管道变形之间的相互作用,极大地改变了流体管道系统的特性,促进了气液两相流管道流固耦合的研究进程。概述了国内外单相输流管道流固耦合研究现状,重点阐述了海洋立管气液两相混输中严重段塞流的流动规律及其流固耦合问题的研究情况,评述了输流管道流固耦合的常用数值计算方法。分析了当前气液两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题,展望了其发展前景。     

90°水平弯管内环状流流动特性

油气集输管道内气液两相流尤其是环状流在弯管处流动特性复杂，极易加剧管道腐蚀和破坏。为此，开展90°水平弯管环状流实验，分析表观气速20～35 m/s、表观液速0.20～0.35 m/s范围内的相分布、液膜流速及压力变化规律；再通过数值模拟研究水平弯管处相分布、压力分布及流速分布特征，对弯管处环状流流动特性规律进行验证。结果表明：弯管底部和外侧液膜厚于弯管顶部和内侧，越靠近弯管中心，内外侧差异越大；表观气速增加和液速降低使液膜分布趋于均匀；弯管内侧压力低于弯管外侧；受二次流动影响在低气速下弯管中心截面位置最大压力较入口处增加。研究成果可为弯管冲蚀机理研究、弯管设计与保护提供理论基础。（图11，表1，参29）     

秸秆颗粒流化特性的数值模拟分析

在农作物秸秆的流化床燃烧发电应用中,秸秆颗粒在床内的气、固两相流动特性会对燃烧、积灰情况等产生影响。该文采用ANSYS FLUENT软件对秸秆颗粒在流化床内的流化特性进行数值模拟,分析颗粒直径对最小流化速度的影响,得到了随直径变化的最小流化风速特性。模拟结果能够为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。     

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。     

离心泵内固液两相流动的三维数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵全流场的固液两相流速度场和压力场进行三维湍流动力学仿真分析.结果表明:叶轮流道沿程压强逐渐升高,叶轮轴向截面压强分布非对称性较明显;固液两相在同一壁面上的速度分布规律相同,叶片和前后盖板壁面的固液两相平均速度差达10%以上;扬程和效率的数值计算和试验测量值接近.     

CFD 在油气储运工程领域的应用

当前，CFD 商用软件日渐增多及成熟，CFD 技术已成为油气储运工程领域非常重要的科研开发工具。对 CFD 技术在油气储运工程领域的应用现状进行梳理，介绍了 CFD 技术的基本原理、工作流程及其显示和输出的计算结果内容；分述了CFD 技术在管道不同运行方式、管道设备和附件、管道安全运行 3 个方面的应用及取得的成果。以全球第一个通过 ISO9001质量认证的 CFD 商用软件 CFX 对缩径直管段中气固两相管流流场的数值模拟为例，分析了气固两相管流流场特征以及颗粒的冲蚀情况，全面展示了 CFX 软件的模拟流程，对于 CFD 技术进一步有效应用于油气储运工程领域具有重要的现实意义。     

基于超声波技术的水平管气液两相流流型识别方法

根据超声波在不同介质界面处的反射回波强弱不同的特性,提出了应用超声波对水平管气液两相流流型进行非介入式在线识别的方法。理论计算得到钢管内壁接触的介质分别为水和空气时的声压反射率,证明了超声波流型识别法的可行性。数值仿真研究管内的流体分别为水、空气时不同界面的反射回波特点,得到了超声波流型识别法的实现方式。依据数值仿真结果,开展超声波气液两相流流型在线识别实验,分析气液两种流体在管道横截面上的分布,从而识别水平管气液两相流流型。研究结果表明：在不影响生产的前提下,超声波流型识别方法能够准确获取水平管气液两相流流动过程中的实时流型,操作方法简便,且结果可靠。（图10,表1,参9）     

水合物浆液流动特性数值模拟

考虑水合物颗粒体积分数对水合物浆液粘度的影响,应用CFD／FLUENT模拟得到了设计工况下水平管中水合物浆液流型、床层高度,颗粒体积分数分布,管道压降、平均粘度等数据,同时基于DoronP等提出的适用于固液两相流动的双层流动模型,编程求解各工况下的流动参数。通过对比模拟结果、计算结果和实验结果可知,数值模拟方法可以对水合物浆液在水平管中的流动压降进行准确预测,而通过编写UDF,将水合物颗粒流动过程中的粒径分布考虑其中,可以更好地描述水合物浆液的流动状态。因此,数值模拟方法可以作为研究水平管中水合物浆液流动特性、分析流动参数影响因素的有效手段,但尚存不足,有待完善。（图7,表4,参10）     

谷物气流清选系统的仿真研究

为研究微型谷物联合收割机清选系统的旋风清选筒内流场的运动状况,借助FLUENT软件,采用RNG k-ε模型模拟,基于SMPLEC算法,对切线入口的旋风分离筒内的压力场和速度场进行三维数值模拟研究.通过数值模拟得到旋风分离筒内部压力场基本呈轴对称分布;清选筒内速度分为旋流和竖直流动,其分界面大致为吸杂管壁面向下的延长线.采用拉格朗日离散相模型对清选筒内谷物脱出物的运动轨迹进行追踪,得到在吸杂口的气压为-900～-600 Pa时清选筒内具有较好的分离效果.     

偏移速度对旋风分离器内饲草颗粒轨迹影响的模拟

在农业应用中,饲草的干燥分离经常会用到旋风分离器,由于饲草颗粒的运动方向及速度都会对它的轨迹产生影响,进而影响分离及干燥的效率。为此,根据旋风分离器的工作原理,通过介绍离散相颗粒模型,气固两相流中固体颗粒的受力分析,最后基于fluent模拟,分析偏移速度对饲草颗粒运动轨迹的影响。结果表明偏移速度的改变对稀相固体颗粒运行轨迹的影响不大。模拟的结果起到避免陷入研究误区的作用,对农业中饲草的干燥及分离具有一定的指导和借鉴意义。     

管道入口段雾化加注天然气减阻剂的数值模拟

采用数值模拟的方法研究天然气管道减阻剂的雾化加注过程,首先对气体管道入口段的稳态流场进行模拟,得到收敛的气流场,再将减阻剂作为一系列离散相雾滴从入口喷嘴注入后进行耦合计算,分析各雾化条件对雾滴索泰尔平均直径（SMD）及其在入口段管壁上吸附特性的影响。模拟结果表明：喷雾压差、喷雾流量、喷嘴直径和喷射角度是影响天然气管道减阻剂减阻效果和减阻距离的关键因素。喷雾压差越大,喷雾流量越小,雾滴的SMD越小,越容易吸附在入口段的管壁上;喷嘴直径和喷射角度对雾滴的SMD影响不大,但喷射角度较小时,雾滴能被气流携带更长距离。研究成果可为天然气减阻剂的工程应用提供一定的理论指导。（图6,表5,参17）。     

基于CFD-EDM耦合的气吸式红枣捡拾机气力输送装置仿真分析

为明确气吸式红枣捡拾机气力输送装置的运动特性,开展了气力输送装置气固两相流的模拟研究。基于气固两相流理论,分别建立了计算流体模型与离散元模型,通过计算流体力学与离散单元法(computational fluid dynamics-discrete element method)耦合求解,对红枣从气力输送装置入口到出口的运动状态、颗粒分布和气流场分布进行仿真分析,通过仿真优化试验探究清选箱箱体的设计并试验验证。结果表明：①多数枣撞击拦枣栅和挡枣板后被排出,少数残留于箱体中,少部分被拦枣栅卡住或通过拦枣栅;②箱体的分离室与沉降室易产生涡流现象,增大能量损失,通过拦枣栅的平均流速为17.85 m·s^-1,气流轨迹混乱;③优化后箱体内部气流轨迹沿箱体路径运动并减少涡流现象发生,通过拦枣栅的平均流速减小为6 m·s^-1,可降低红枣因自身动能过大而造成损伤;④优化后箱体的拐角内径为200 mm、箱体入口高度为65 mm时结构最佳;⑤样机试验结果与仿真试验结果较接近。上述结果说明,采用CFD-EDM两相流耦合技术对气吸式红枣捡拾机气力输送装置仿真是可行的,且通过优化箱体结构缩短红枣在气力输送装置中的输送时间、提高样机工作效率,该研究结果可为气力式红枣收获机气力输送装置仿真与优化设计提供参考。     

木纤维脉冲-旋流气流干燥气固两相流分析及数值模拟

通过对脉冲-旋流气流干燥气固两相流分析及数值模拟的研究,采用欧拉-拉格朗日模型和计算流体力学软件Fluent对脉冲-旋流气流干燥机内部的气固两相流场进行了三维模拟,揭示脉冲-旋流气流干燥木质纤维的机理和传热传质特性。结果表明,加载物料后的气流速度变化明显,并且物料与气流速度有2 m/s左右的速度差,有利于传热传质。气流速度越大,物料停留时间越短。进料速度的增加会在旋流干燥器底部形成一个回流区,易造成物料的返流,并增加了物料在干燥机停留时间。通过对计算出的温度、速度、时间的曲线与实测值进行对比,二者最大相对误差小于10%,验证了fluent气固两相流模拟方法建立的脉冲-旋流气流干燥过程的数学模型是有效的。