检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：庄亚明东南大学

学位级别：博士

随着计算机科学的发展,基于cfd（Computational Fluid Dynamics）的数值模拟方法已经成为研究气-固流化床的重要手段之一。经过几十年的研究,诸如cfd-dem（Discrete Element Method）等模型日臻成熟,已经能够较为准确的模拟出流化床中... 详细信息

随着计算机科学的发展,基于cfd（Computational Fluid Dynamics）的数值模拟方法已经成为研究气-固流化床的重要手段之一。经过几十年的研究,诸如cfd-dem（Discrete Element Method）等模型日臻成熟,已经能够较为准确的模拟出流化床中详细的气固流动,但计算负荷高和计算速度慢的缺陷一直是此类模型进一步应用于大型工业装置的瓶颈。而应用于颗粒系统的MCM（Markov chain method）统计学模型则具有计算简单、高效及适用性强等特点,发展流化床颗粒运动MCM模型,并进一步耦合气相运动、化学反应、传热及传质,不失为一条突破流化床传统数值模拟方法发展瓶颈的潜在路线。本文结合流化床统计学模型的发展难点以及流化床富氧燃烧碳减排技术这一热点问题,对流化床颗粒运动和焦炭燃烧的统计学模型进行了深入的研究和探索,取得的主要创新性研究成果总结归纳如下:（1）为克服以往流化床颗粒运动MCM模型无法给出颗粒具体位置信息的缺陷,以cfd-dem模型的计算结果作为采样样本,从中提取颗粒运动统计学规律,基于流化床物理空间划分网格,定义颗粒的Markov状态空间,建立了模拟鼓泡流化床和循环流化床提升段颗粒运动的MCM模型。就流化床颗粒运动是否具有Markov特性,以及MCM模型参数的独立性进行了探索性的讨论。相比cfd-dem模型,MCM模型的计算速度几乎提高了两个数量级,且对计算负荷的需求很低。MCM模型能够比较准确的模拟出流化床中颗粒运动的宏观规律,并能够跟踪到每一颗颗粒。（2）为改进颗粒运动MCM模型无法模拟出鼓泡流化床气泡运动以及瞬时性颗粒运动规律的缺点,提取鼓泡流化床cfd-dem模型计算结果中的气泡信息,基于统计学理念创新性的建立了气泡随机发展模型（Stochastic bubble developing model,SBDM）,并将其与MCM模型耦合。SBDM-MCM模型具有和MCM模型近似的高计算速度和低运算负荷,且成功将气泡对颗粒运动的影响引入了MCM模型中,重现了样本数据中颗粒运动的瞬时性规律。（3）为改进颗粒运动MCM模型无法模拟出循环流化床提升段颗粒絮团运动以及瞬时性颗粒运动规律的缺点,提取循环流化床提升段cfd-dem模型计算结果中的颗粒絮团信息,基于统计学理念创新性的建立了絮团随机发展模型（Stochastic cluster developling model,SCDM）,并将其与MCM模型耦合。SCDM-MCM模型同样高效且节约计算资源,并且在模拟结果中有效体现了絮团对颗粒运动特性的瞬时影响,对比表明SCDM-MCM模型对样本数据中颗粒运动规律的拟合程度要明显高于MCM模型。（4）为解决SBDM-MCM模型无法模拟出气相信息,导致后续耦合化学反应存在困难的问题,创新性的将经典的流态化两相模型对气相流动和相间传质的描述引入SBDM-MCM模型,并耦合单颗粒焦炭燃烧模型,创建了鼓泡流化床SBDM-MCM反应模型。SBDM-MCM反应模型的计算速度可达到cfd-dem反应模型的115倍左右,且计算负荷较低。不同O2浓度的O2/N2和O2/CO2气氛下,SBDM-MCM反应模型和cfd-dem反应模型对流化床焦炭燃烧的数值模拟结果对比表明,SBDM-MCM反应模型不仅对样本数据中石英砂和焦炭颗粒的运动规律具有很高的拟合度,其预测的流化床内焦炭的碳消耗速率,以及流化床整体的气相分布规律都能够与cfd-dem反应模型的计算结果吻合的很好。

关键词：流化床数值模拟统计学模型马尔可夫链 cfd-dem模型

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cfd-dem模拟气固两相在陶瓷膜内的流动特性

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膜科学与技术 2019年第2期39卷 51-57页

作者：李丹王慧王昆王国华陈留平中盐金坛盐化有限责任公司常州213200 江苏加怡热电有限公司常州213200 常州履信新材料科技有限公司常州213200

针对多孔陶瓷膜内复杂的气固两相流动体系,首先用颗粒随机堆积方法对多孔陶瓷几何结构进行了构建.随后采用计算流体力学(cfd)描述气相的流动传递行为;采用离散单元法(dem)描述颗粒相运动轨迹.模拟结果揭示了滤饼层在膜表面的形成过程,... 详细信息

针对多孔陶瓷膜内复杂的气固两相流动体系,首先用颗粒随机堆积方法对多孔陶瓷几何结构进行了构建.随后采用计算流体力学(cfd)描述气相的流动传递行为;采用离散单元法(dem)描述颗粒相运动轨迹.模拟结果揭示了滤饼层在膜表面的形成过程,以及压降和粉尘去除率随滤饼层和过滤速度的演变情况.此外,还考察了系统压降随粉尘颗粒恢复系数的变化情况,当恢复系数为0.3时,系统压降存在一个相对较高值.该方法可以为除尘过程中粉尘颗粒在微孔尺度中的传递过程提供精确描述.

关键词：高温除尘陶瓷过滤数值模拟多孔介质 cfd-dem模型

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页岩气水平井暂堵球运移特性数值模拟研究

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石油钻探技术 2023年第5期51卷 156-166页

作者：邹龙庆何怀银杨亚东龚新伟肖剑锋苌北中国石油集团川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部四川成都610051 油气藏地质及开发工程全国重点实验室(西南石油大学) 四川成都610500

水平井暂堵压裂技术是提高非常规储层改造效果的关键,而暂堵球在水平井中的运移及封堵特性的准确预判是水平井暂堵压裂成功实施的关键。因此,需要利用数值模拟方法模拟暂堵球在水平井的运移和封堵特性。由于cfd-dem耦合模型能够将暂堵... 详细信息

水平井暂堵压裂技术是提高非常规储层改造效果的关键,而暂堵球在水平井中的运移及封堵特性的准确预判是水平井暂堵压裂成功实施的关键。因此,需要利用数值模拟方法模拟暂堵球在水平井的运移和封堵特性。由于cfd-dem耦合模型能够将暂堵球颗粒视为旋转的球体,实现颗粒与流体之间的双向耦合,因此基于cfd-dem耦合方法建立了页岩气水平井井筒暂堵模型,分析了暂堵球粒径、压裂泵注排量和暂堵球密度对暂堵球运移和封堵性能的影响,结果表明,对于ϕ139.7 mm的单簇8孔螺旋分布式套管,孔眼与暂堵球直径之比为0.97左右时井筒暂堵效果最好;暂堵球的坐封效率随着泵注排量增大呈先升高后降低的趋势,泵注排量低于6 m^(3)/min时,随着泵注排量增大,暂堵球坐封效率升高;泵排量为4~7 m^(3)/min时,暂堵球的坐封效率较高;低密度暂堵球的坐封效率最高,高密度暂堵球的坐封效率最低;暂堵球最容易坐封在射孔簇后半段孔眼上,也能够坐封在第1个孔眼上。研究结果表明,基于cfd-dem耦合的页岩气水平井井筒暂堵模型能够实现暂堵球在水平段运移过程的可视化,利用其可预测暂堵球的运移速度及坐封孔眼的位置,为水平井暂堵压裂施工设计提供指导。

关键词：页岩气水平井暂堵压裂暂堵球数值模拟 cfd-dem模型

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基于标准装置的颗粒扩散规律研究

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中国测试 2019年第4期45卷 35-42页

作者：孔明韩晓彤中国计量大学浙江杭州310018

针对复杂环境对颗粒检测造成的干扰问题,设计一种颗粒检测的标准装置,此装置参考伽尔顿板对下落球体分布造成的影响,提升颗粒分布均匀性为目标,完善内置孔板的几何模型,通过内置孔板加强颗粒在水平方向上的扩散,使得试验段的颗粒分布更... 详细信息

针对复杂环境对颗粒检测造成的干扰问题,设计一种颗粒检测的标准装置,此装置参考伽尔顿板对下落球体分布造成的影响,提升颗粒分布均匀性为目标,完善内置孔板的几何模型,通过内置孔板加强颗粒在水平方向上的扩散,使得试验段的颗粒分布更为均匀。对颗粒在标准装置中的扩散过程进行非稳态的数值模拟,利用Fluent仿真软件中的cfd-dem模型得到颗粒运动过程和浓度变化、流场速度变化云图,并对水平参考面上的颗粒进行均匀性的量化分析。分析结果显示,颗粒在穿越孔板的过程中向外扩散现象明显,促使颗粒在水平方向上分布均匀。经比较各参考面的颗粒分布,颗粒检测的最佳时间在60 s附近,最佳位置在参考面Plane2上下。

关键词：颗粒检测标准装置均匀性数值模拟 cfd-dem模型

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气固分选流化床中多组分颗粒分层与混合的数值模拟研究

气固分选流化床中多组分颗粒分层与混合的数值模拟研究

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作者：张勇中国矿业大学

学位级别：博士

煤炭资源是世界范围内重要的化石能源,是我国能源战略和能源安全的重要支撑。但是煤炭燃烧产生的环境污染已经严重限制了煤炭行业的可持续发展,所以洁净煤技术成为煤炭可持续发展的必然选择。流态化选煤技术作为洁净煤技术的重要手段,... 详细信息

煤炭资源是世界范围内重要的化石能源,是我国能源战略和能源安全的重要支撑。但是煤炭燃烧产生的环境污染已经严重限制了煤炭行业的可持续发展,所以洁净煤技术成为煤炭可持续发展的必然选择。流态化选煤技术作为洁净煤技术的重要手段,为干旱缺水和高海拔地区煤炭的清洁利用提供一条切实可行的途径。气固流化床颗粒组成复杂,有大小不同的气泡运动,导致煤炭分选过程调控困难。随着计算机计算能力提高,数值模拟已经成为研究流化床中气固相互作用的重要工具。本文针对煤炭颗粒在流化床中的分选过程建立数值计算模型,并从颗粒流动、气泡运动以及床层压降波动等揭示煤炭分选过程的多尺度控制机制。根据浓相气固分选流化床中多组分颗粒组成特点,采用OpenFOAM和dem程序建立模拟多分散颗粒分层与混合的cfd-dem计算模型。为了验证模型的准确性,采用多粒径曳力模型模拟颗粒的分层和混合过程,采集颗粒离析度数据与实验结果对比,验证cfd-dem计算模型的准确性和可靠性,确定合适的多组分曳力模型。颗粒的粒度离析特性主要是不同颗粒受到曳力差异导致的。鉴于气固分选流化床中介质颗粒粒度较细,数目较多,采用粗粒化模型来减少计算量,提高计算效率。对介质细颗粒采用粗粒化模型模拟,采集实验室流化床中颗粒浓度的轴向分布、压降信号波动数据,并与模拟结果对照,确定EMMS-DPM模型与实验吻合较好,但是粗粒化比率最好不超过5.0。采用傅里叶频谱分析和小波分析流化床中压力波动特性,可以发现压力波动与微观尺度颗粒运动、介尺气泡运动和宏观床层膨胀导致,而气泡运动是压力波动主要来源。在多粒径曳力模型和粗粒化模型的基础上,在模型中加入权函数插值算法模拟不同密度煤炭颗粒在气固流化床中离析过程,建立煤炭颗粒分选的EMMS-DPM-dem多尺度计算模型。通过示踪球分选实验,采集示踪球颗粒在床层轴向方向的分布曲线,与模拟结果对照,验证模型的准确性,煤炭颗粒密度离析过程主要受到压力梯度力和介质颗粒作用力控制。第七章在EMMS-DPM-dem计算模型的基础上,通过调控颗粒密度和粒度,以及煤炭颗粒在床层中的受力,可以发现压力梯度力和介质阻力通过竞争协调机制控制颗粒运动。探究流化床放大过程对于颗粒分离过程影响,可以发现床层中介质颗粒运动存在局部和宏观返混。布风板均匀进气时,床层横向尺度方向尺度增加不会导致放大效应,但是堆料高度增加,气泡长大,会导致颗粒分离度降低。本论文有图83幅,表7个,参考文献194篇。

关键词：煤炭分选 cfd-dem模型多粒径曳力模型粗粒化模型多尺度特征

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A类颗粒气固流态化过程的cfd-dem模拟

A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟

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作者：李诗娇沈阳化工大学

学位级别：硕士

本文主要用数值模拟手段研究了复杂气固流化系统,气固流化床数值模型主要有TFM和cfd-dem两种,目前,普遍认为cfd-dem模型的准确度更高,因为cfd-dem模型在更微观的尺度上追踪每个颗粒的运动。但是A类颗粒粒径很小,即使是小型实验室流化床... 详细信息

本文主要用数值模拟手段研究了复杂气固流化系统,气固流化床数值模型主要有TFM和cfd-dem两种,目前,普遍认为cfd-dem模型的准确度更高,因为cfd-dem模型在更微观的尺度上追踪每个颗粒的运动。但是A类颗粒粒径很小,即使是小型实验室流化床装置中,A类颗粒的数目也会非常多,所以直接验证cfddem模型模拟A类颗粒流化状态准确性的文献非常少。另外,近年来微型流化床获得了广泛的关注,微型流化床中的颗粒数目相比于传统流化床更少,在一定程度上可以缓解A类颗粒粒径小带来的颗粒数目增加的问题,很适合作为cfd-dem的模拟对象。所以本文希望使用cfd-dem方法模拟A类颗粒在微型流化床的鼓泡流化过程。本文首先模拟了FCC颗粒鼓泡流化床的床层扩大和床层塌落过程。模拟结果表明cfd-dem模型可以准确的模拟A类颗粒鼓泡床的平均床层空隙率及乳化相空隙率,平均床层空隙率与实验值的误差在10%以内,乳化相空隙率与实验值的误差在15%以内。不仅说明cfd-dem模型可以用来研究鼓泡床中A类颗粒的流化特性,也说明cfd-dem模型是研究微型流化床的理想手段。流化过程中的FCC颗粒本身存在粒径分布,且粒径分布广泛存在于自然界和工业过程中。于是,本文继续用cfd-dem模型分析了高斯分布A类颗粒的鼓泡流化过程。模拟结果表明:微型流化床中,气泡的运动和形状与传统流化床一致,但节涌出现的表观气速大于宏观经验关联式求解的表观气速;由于细颗粒的作用,所以多分散鼓泡床的平均床层空隙率和乳化相空隙率会增大,这有助于流化质量的提高;窄分布各种颗粒混合非常好,粒径分布变宽,偏析程度增加,所以相比于宽分布体系,窄分布体系的平均床层空隙率和乳化相空隙率更大。

关键词：流化床多相流 cfd-dem模型气固两相流细颗粒微型流化床粒径分布

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三维编织滤料过滤过程的cfd-dem耦合数值模拟

三维编织滤料过滤过程的CFD-DEM耦合数值模拟

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作者：张乐天津大学

学位级别：硕士

近年来,颗粒物已然成为空气污染的首要污染物。纤维过滤是去除颗粒物的最有效方法之一。其中,一种以纬编方法制备的三维编织滤料能够解决无纺布纤维滤料过滤阻力增长较快的问题,并且可以保持较高的净化效率。本文建立了该三维编织滤料... 详细信息

近年来,颗粒物已然成为空气污染的首要污染物。纤维过滤是去除颗粒物的最有效方法之一。其中,一种以纬编方法制备的三维编织滤料能够解决无纺布纤维滤料过滤阻力增长较快的问题,并且可以保持较高的净化效率。本文建立了该三维编织滤料的几何结构模型,并基于cfd-dem耦合数值模拟与实验测试相结合的方法,分析了三维编织滤料的结构参数、运行参数以及颗粒性质对滤料过滤性能的影响,同时模拟了滤料表面颗粒沉积过程。模拟结果表明:(1)滤料几何结构对过滤的影响:(a)上层,过滤效率随复丝中单丝根数增加而增加,而品质因数先增加后减小;(b)下层,过滤效率随复丝中单丝根数增加而增加,品质因数反而降低;(c)中间层,过滤效率和品质因数都随纺织密度,纤维直径和纤维高度的增加而增加。(2)运行参数(迎面风速、含尘浓度)和颗粒性质(碰撞恢复系数)对过滤的影响:滤料过滤效率随迎面风速的提高显著增加,但当迎面风速持续增加至3.0 m/s,过滤效率出现“不升反降”。随着气体含尘浓度的提高,滤料对于不同粒径粒子的过滤效率略有提高,纤维滤料各个位置捕集的颗粒数量都有所增加。碰撞恢复系数越小,纤维滤料的过滤效率越高;粒径越大的颗粒,随碰撞恢复系数的增加,过滤效率下降越快。(3)颗粒沉积对滤料过滤性能的影响:在开始阶段,过滤效率随着沉积质量的增加增长较快,随着颗粒沉积的继续进行,过滤效率增速整体呈现下降的趋势,同时纤维滤料的压降随着沉积质量的增加而增加。对于三维编织滤料,上层纤维层始终捕集了大多数的颗粒,未被捕集的颗粒随气流经网眼孔洞和纤维之间孔隙进入中间纤维层,被中间间隔纱线纤维捕集,沉积在间隔纱线纤维表面形成明显的树突结构的团聚体。下层纤维层捕集的颗粒数目较少,且大多沉积在纤维上表面,随着颗粒沉积,形成明显的团聚体。论文研究成果丰富和发展了以编织方式制备的滤料的建模方法,为三维编织滤料的过滤性能的优化提供了科学依据。

关键词：三维编织滤料 cfd-dem模型过滤结构参数运行参数颗粒性质

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甲醇制烯烃工艺催化剂再生过程的cfd-dem模拟

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中国粉体技术 2020年第3期26卷 39-45页

作者：宋超叶茂刘中民中国科学院大连化学物理研究所辽宁大连116023 中国科学院甲醇制烯烃国家工程实验室辽宁大连116023 中国科学院大学北京100049

为了合理控制甲醇制烯烃工艺系统(DMTO)中流化床催化剂再生器的积碳燃烧反应,利用计算流体力学(cfd)将再生化学反应动力学方程耦合到离散单元模型(dem)中,使用cfd-dem模型对催化剂再生过程进行了拟二维和三维数值模拟;分别从再生催化剂... 详细信息

为了合理控制甲醇制烯烃工艺系统(DMTO)中流化床催化剂再生器的积碳燃烧反应,利用计算流体力学(cfd)将再生化学反应动力学方程耦合到离散单元模型(dem)中,使用cfd-dem模型对催化剂再生过程进行了拟二维和三维数值模拟;分别从再生催化剂的颗粒流型、颗粒属性、积碳分布和再生器的气体组分等方面考察了不同进气气速对催化剂再生过程的影响。结果表明:随着进气气速的增大,再生催化剂颗粒的流化速度加快,积碳分布由宽变窄,颗粒整体的流化状态趋于均匀;再生催化剂的积碳量随着时间增加而减少,随进气气速的增大而减少速率加快;催化剂密度随反应时间的增加而略有减小;随着进气气速的增大,再生反应达到平衡状态所需的时间会大幅缩短;当进气气速大于0.05 m/s时,氧气可以很快达到饱和。

关键词：甲醇制烯烃催化剂再生 cfd-dem模型数值模拟

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压裂水平井支撑剂运移规律研究进展

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世界石油工业 2020年第1期27卷 58-62页

作者：张珈铭任宗孝邱茂鑫焦姣张华珍侯亮中国石油集团经济技术研究院北京100724 西安石油大学石油工程学院陕西西安710065

支撑剂在裂缝中的运移及铺置规律决定了裂缝的有效长度及导流能力,进而影响了压裂水平井的初始产量和最终采收率.支撑剂的运移规律十分复杂,目前主要从室内实验及数值模拟两方面进行研究.通过对支撑剂的运移规律进行系统梳理,总结了目... 详细信息

支撑剂在裂缝中的运移及铺置规律决定了裂缝的有效长度及导流能力,进而影响了压裂水平井的初始产量和最终采收率.支撑剂的运移规律十分复杂,目前主要从室内实验及数值模拟两方面进行研究.通过对支撑剂的运移规律进行系统梳理,总结了目前室内实验及理论研究存在的3方面问题:忽略了裂缝壁面的滤失性;用平滑玻璃板代替裂缝,没有考虑裂缝壁面粗糙度的影响;在已形成的裂缝中研究支撑剂运移,没有考虑裂缝扩展对支撑剂运移的影响.在明确现有问题的前提下,对支撑剂运移规律的发展方向进行了展望.

关键词：压裂水平井支撑剂运移规律室内实验 cfd-dem模型

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