氣固流動
關注創建者：咫尺天涯_3909 創建時間：2016-12-05
氣固流動的實例教程
圖1對不同的濃相氣固流動模型進行了對比，可以看到：DEM模型具有更高的解析度，但耗時最多；TFM計算耗時次之；MP-PIC雖能計算大規模顆粒系統氣固流動，同時能對固相在顆粒尺度進行描述，但由于使用的子模型最多，因而計算結果的準確性最差。在選擇模型，一定要根據自身應用的需求正確選擇。
為其他類型的流動選擇模型就不那么簡單了。作為一般準則，有一些參數可以幫助為這些其他流動確定適當的多相流模型: 顆粒載荷β和斯托克斯數st(注意，在本討論中“顆粒”一詞是指顆粒、液滴或氣泡)。
1 顆粒載荷的影響
顆粒載荷對相的相互作用有很大的影響。定義顆粒載荷為分散相(d)與載體相(c)的質量密度比:
材料密度比為：
氣-固流動大于1000，液-固流動約為1，氣-液流動小于0.001。 通過這些參數，可以估算出顆粒相各顆粒之間的平均距離，Crowe等人已經給出了這個距離的估計。
其中，， 有關這些參數的信息對于確定應如何處理分散相是重要的。例如，對于顆粒載荷為1的氣固流動，顆粒間距離 約為8;因此，顆粒可以被視為孤立的(即非常低的顆粒載荷)。
根據顆粒載荷的不同，相間相互作用程度可分為以下三類:
對于非常低的載荷，兩相之間的耦合是單向的(即流體通過阻力和湍流影響顆粒，而顆粒對流體沒有影響)。離散相模型、混合模型和歐拉模型都能正確地處理這類問題。由于歐拉模型是計算量最大的，建議采用離散相或混合模型。
對于中等載荷，耦合是雙向的(即流體通過阻力和湍流影響顆粒相，而顆粒反過來通過平均動量和湍流的降低影響流體)。離散相、混合和歐拉模型都適用于這種情況，但需要考慮其他因素，以決定哪種模型更合適。下面是使用Stokes數作為指南的信息。
對于高載荷，有雙向耦合加上顆粒壓力和顆粒引起的粘性應力(四向耦合)。只有歐拉模型才能正確地處理這類問題。
2 斯托克斯數的意義
具有中間顆粒載荷的系統，估計Stokes數的值可以幫助選擇最合適的模型。可以將Stokes數定義為粒子響應時間與系統響應時間的關系:
其中， ， 是基于所研究系統的特征長度 和特征速度 ， 。
展開 通過設定顆粒間相互作用參數，可模擬團聚形成與發展過程，進而制定針對性優化策略 —— 如調整操作氣速、添加分散劑等，實現顆粒均勻分散，保障氣固兩相高效接觸，為反應效率提升掃清障礙。
四、CFD-DEM 耦合：打破多相流壁壘，實現全維度優化
在實際流化床系統中，氣固兩相存在強耦合作用，單獨使用CFD 或 DEM 難以全面反映系統真實狀態。CFD-DEM 耦合仿真技術，通過雙向數據傳遞實現氣固兩相行為的協同模擬 ——CFD 計算的流體場數據為顆粒運動提供外力輸入，DEM計算的顆粒運動信息反哺流體場方程更新，從而精準復現氣固兩相相互作用的復雜過程。
CFD-DEM耦合技術
在大型氣固循環流化床設計中，耦合仿真展現出強大優勢。此類設備包含提升管、下降管、旋風分離器等多組件，氣固流動狀態復雜。借助 CFD-DEM 耦合技術，可模擬全回路內氣固兩相分布特征、傳熱傳質效率及設備磨損情況。以循環倍率優化為例，通過仿真可明確不同倍率下的能耗、反應效率與磨損風險，最終確定 “效率 - 能耗 - 壽命” 平衡的最佳參數。某能源企業通過耦合仿真優化后，循環流化床的能量利用率提升 8%-10%，設備年均維護成本降低 15%，實現了經濟效益與工藝性能的雙重提升。
氣力輸送案例
寬篩分顆粒反應器模擬仿真
固定床反應器模擬仿真
五、自主可控，助力流化床工藝升級
在石油石化流化床仿真實踐中，適配行業需求的專業軟件是提升設計效率的關鍵。
VirtualFlow 作為一款高性能 CFD 軟件，憑借豐富的湍流模型與多相流模型，能精準模擬流化床內復雜流體行為。
展開 在自然和技術中遇到的大量流動是相的混合物。物質的物理相是氣體、液體和固體，但多相流系統中的相的概念應用的范圍更廣。多相流，可以將相定義為一類可識別的材料，該材料對流體和浸沒在其中的勢場具有特定的慣性響應和相互作用。例如，相同材料的不同尺寸的固體顆粒可以被視為不同的相，因為每一組相同尺寸的顆粒在流場中都會有相似的動態響應。
多相流主要可分為四類:氣-液流或液-液流、氣-固流動、液固流動和三相流。
01—
氣-液流和液-液流
以下是氣-液流動或液-液流動:
氣泡流:這是離散的氣體或流體氣泡在連續流體中的流動。
液滴流:這是離散的液滴在連續氣體中的流動。
段塞流:大氣泡在連續流體中的流動。
分層/自由表面流動:這是一種被明確定義的界面分離的不混溶流體的流動。
02—
氣-固流
以下是氣-固兩相流動:
顆粒流:這是連續氣體中離散粒子的流動。
展開 適用于離散相濃度較低的情況，如稀相氣固流動。在粉塵輸送管道中，粉塵顆粒在氣體中以較低濃度分散流動，此時使用歐拉-拉格朗日模型可以準確地模擬粉塵顆粒的運動軌跡，研究粉塵的擴散、沉降等問題，為管道設計和粉塵收集處理提供技術支持。
（三）VirtualFlow多相流模型
積鼎科技自研軟件VirtualFlow所包含的多相流模型。VirtualFlow支持求解界面流問題、混合流問題、顆粒流問題，多相流模型包括：Level-set模型、VOF模型、均相流模型、代數滑移模型、離散相模型（有密相顆粒求解能力）。
圖 1VirtualFlow中多相流模型類型
三、多相流模型在核電領域的應用
（一）核反應堆設計與優化
堆芯冷卻與流動：模擬核反應堆堆芯內的冷卻劑流動和傳熱過程，分析燃料元件表面的溫度分布、冷卻劑的流動速度和壓力損失等，為堆芯的設計和優化提供依據，對于事故工況，需要考慮多相流模型的應用。
燃料元件性能評估：研究燃料元件在不同運行條件下的熱工性能，如燃料溫度、包殼溫度、冷卻劑溫度和流量等，預測燃料元件的燒毀率和壽命，為燃料元件的設計和改進提供指導。
蒸汽發生器設計：模擬蒸汽發生器內的汽水兩相流動和傳熱過程，優化蒸汽發生器的結構和參數，提高其傳熱效率和運行穩定性。例如，通過模擬蒸汽發生器內的汽水分離過程，改進汽水分離裝置的設計，減少蒸汽中的水滴攜帶，提高蒸汽品質。
（二）熱工水力分析
單通道熱工水力分析：對核反應堆單通道內的冷卻劑流動和傳熱進行模擬，分析通道內的溫度分布、壓力降和熱傳遞特性，評估通道的熱工性能和安全性。
多通道熱工水力分析：考慮核反應堆內多個并行通道之間的相互影響，如流量分配、溫度耦合等，研究多通道熱工水力現象，為核反應堆的熱工設計和運行提供更準確的預測。
展開 
氣固流動的相關專題、標簽、搜索
氣固流動的最新內容
案例旨在通過CFD數值模擬方法，深入研究文丘里洗滌器內部的復雜氣液固多相流動和傳質過程，精確預測其除塵效率，為優化設計和安全分析提供理論依據。
基于ANSYS Fluent軟件，采用計算流體動力學（CFD）方法對文丘里洗滌器的除塵過程進行了數值模擬研究。模擬采用了歐拉-拉格朗日框架，將氣相（空氣）處理為連續介質，并利用離散相模型（DPM）追蹤粉塵顆粒（TiO?）的運動。
其內部氣固兩相的流動、傳熱、傳質與化學反應交織耦合，形成了極為復雜的多物理場環境。長期以來，行業依賴經驗積累與物理實驗進行流化床設計優化，不僅面臨研發成本高、周期長的困境，更難以突破 “黑箱效應”—— 無法精準捕捉設備內部微觀機理，導致設計方案常存在性能短板，難以適配高效、低耗的生產需求。
三、DEM軟件的實際應用場景
（一）化工行業：流化床反應器的模擬
在化工生產的流化床反應器內，氣固兩相的流動與反應過程極為復雜。CFD 可以模擬流體在反應器內的整體流動模式，分析反應器內的溫度和濃度分布，對于優化反應器的宏觀性能有一定幫助。然而，對于反應器內催化劑顆粒的運動和分布情況，CFD 的模擬結果不夠精確。催化劑顆粒在氣流作用下的流化狀態，直接影響著反應效率和催化劑的使用壽命。
適用于離散相濃度較低的情況，如稀相氣固流動。在粉塵輸送管道中，粉塵顆粒在氣體中以較低濃度分散流動，此時使用歐拉-拉格朗日模型可以準確地模擬粉塵顆粒的運動軌跡，研究粉塵的擴散、沉降等問題，為管道設計和粉塵收集處理提供技術支持。
（三）VirtualFlow多相流模型
積鼎科技自研軟件VirtualFlow所包含的多相流模型。
壓力容器接管處損傷容限分析
加氫反應器蠕變疲勞開發和分析
脫硫吸收塔工藝數值仿真分析
催化兩器-反應再生器強度分析
預處理塔靜強度及疲勞評估
催化裂化主風機流動分析
提升管反應器效率分析
兩段提升管反應器流動反映過程模擬
FCC沉降器過程模擬
汽提器氣固兩相的流動規律以及顆粒和氣體的停留時間分布
都會導致一定的不確定性，目前軟球模型和硬球模型依然是國際上的研究熱點；
歐拉拉格朗日可以很好的模擬顆粒軌跡交叉，并且顆粒傳輸的速度是不相同的；
歐拉拉格朗日的噪音難以消除，需要大量大量的粒子才能減輕；
目前普通的算法需要顆粒直徑小于網格直徑；
總體來說，個人覺得歐拉拉格朗日方法用于模擬氣固流動要比歐拉歐拉模型精度高
流化床氣化爐由氣化室和布風板等組成，氣化劑通過布風板均勻給入氣化爐中，按氣固流動特性不同，可以分為鼓泡流化床氣化爐和循環流化床氣化爐。氣流床中氣化劑（氧氣、水蒸氣等）夾帶生物質顆粒，通過噴嘴噴入爐膛。細顆粒燃料分散懸浮于高速氣流中，高溫下細顆粒燃料與氧氣接觸后迅速反應，釋放大量熱，固體顆粒瞬間熱解、氣化轉化生成合成燃氣及熔渣。對于上吸式固定床氣化爐，合成氣中焦油含量較高。
針對發生沖蝕磨損的葉輪機械，借助ANSYS CFD軟件能分析葉輪內部氣流速度場、氣流壓力場、葉片溫度場的分布規律；利用離散相模型能研究葉輪內部的氣固兩相流動，分析顆粒直徑對顆粒運行軌跡、運動速度、偏聚濃度及造成葉片沖蝕分布的影響規律。
以下比較了兩種熱氣膨脹器設計的侵蝕率。
為了將流態化技術切實掌握起來，需要深入研究有關的流體力學問題，如流化床測試技術的研究，特別是局部的實時測量和數據的分析處理問題；三維床中氣泡的聚并和穩定性，特別是它與固體粒子的物性、大小和粒度分布的關系問題；氣泡相與含粒子相間的相互運動和相間質量交換問題；分布孔口射流的結構及其影響區內的傳質問題；各內部構件與床內氣、固兩相流動和傳質的定量關系問題，等等。
7.
定義顆粒載荷為分散相(d)與載體相(c)的質量密度比:
材料密度比為：
氣-固流動大于1000，液-固流動約為1，氣-液流動小于0.001。 通過這些參數，可以估算出顆粒相各顆粒之間的平均距離，Crowe等人已經給出了這個距離的估計。
其中，， 有關這些參數的信息對于確定應如何處理分散相是重要的。
