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近年来，由于常规石油资源日益枯竭，世界原油不断向重质化、劣质化趋势发展，同时国内外对轻质油品的需求量却逐年增加，利用悬浮床加氢工艺处理常压渣油以提高轻质油收率具有重要意义。在悬浮床加氢工艺中，反应器是整个工艺过程的重要设备，反应器内涉及流体流动和化学反应。本文采用计算流体力学的方法，使用Fluent软件，对悬浮床反应器渣油加氢进行数值模拟。 针对φ138mm鼓泡床反应器内空气-水体系的流体力学性能进行分析。采用湍流模型和曳力模型进行反应器内流动模拟，分析了反应器内气含率和轴向液速的径向分布，并将模拟结果与Hills的冷模实验数据进行对比，建立了反应器内气-液相流动模型。采用RNG k-e湍流模型和DBS曳力模型对φ142mm环流反应器内流动进行数值模拟，通过将M.Simcik的冷模实验数据与模拟结果进行对比，确定RNG k-e湍流模型和DBS曳力模型的可靠性。 针对悬浮床反应器内渣油-氢气实际体系在高温高压下的流动进行数值模拟，建立了悬浮床渣油加氢实际体系的流动模型，获得了反应器内不同轴向高度对于气含率和轴向液速径向分布的影响。研究发现：随着反应器轴向高度的升高，中心处气含率的径向分布呈现减小的趋势，而反应器中心处轴向液速的径向分布呈现先增加后减小的趋势，这与其他学者研究结果一致。 基于固相拟均相的双流体模型，建立了悬浮床渣油加氢反应数学模型，通过耦合流动模型和克拉玛依常压渣油加氢的集总动力学模型，确定了模拟悬浮床反应器内渣油加氢反应过程的计算框架。通过数值模拟获得了悬浮床加氢裂化工艺中各集总质量分数随反应时间的变化规律，以及操作条件（反应温度和反应压力）对于各集总质量分数的影响。研究发现：随着反应的进行，最先生成蜡油，进而渣油和蜡油会加氢生成柴油和汽油。随温度的增加，轻油收率会增加，而压力增加，轻油收率会降低。综合考虑温度和压力对于各集总质量分数的影响，确定较优的操作条件为430℃、8MPa。此外，将悬浮床渣油加氢与固定床渣油加氢工艺进行对比。研究发现：悬浮床渣油加氢反应更加彻底，轻油收率为91.57%；而固定床中轻油收率为81.71%。在相同的操作条件下，悬浮床加氢收率较固定床加氢收率高近10%。

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计算流体力学 数值模拟 双流体模型 悬浮床反应器 曳力模型

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研究了双流体模型中加入人工扩散项后不同扩散项系数对模拟的影响.对于竖直管的Water Faucet问题,逐步增加人工扩散系数后非物理振荡完全消除.对于水平管流动病态区域的工况,不采用扩散系数在中等精细度网格上计算的结果同实验比较吻合,但无法得到网格无关解.采用Water Faucet问题确定的人工扩散系数进行计算,水动力学不稳定性被抑制,液塞频率被低估.因此,人工扩散的量随不同流动条件发生变化,需要具体确定.

Keyword ：

段塞流 人工扩散 数值模拟 双流体模型

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采用商业软件Fluent 6．3．26中的双流体模型研究了不同操作条件和颗粒物性对流化床内壁面磨损速率的影响.基于颗粒动力学理论(KTGF)对单层能量耗散(MED)磨损模型进行改进，并对比验证了改进模型的准确性.采用该模型研究了表观流速、固体负载量、颗粒粒径和密度等不同操作条件对壁面磨损速率的影响.结果表明：壁面磨损速率随着表观流速和固体负载量的增加而增大；在相同的操作条件下，粒径较小和质量较轻的颗粒磨损速率较快，发生磨损的区域面积也相对较大.

Keyword ：

KTGF理论 壁面磨损 改进MED模型 双流体模型 循环流化床(CFB)

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含气率 冷凝泡状流 双流体模型

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局部相含率 双流体模型 湍流 油水两相分散流

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气力输送在电力、化工、食品处理、钢铁、冶金、建筑材料、机械制造等行业具有广泛的应用。气力输送的研究涉及多个学科分支，对工业生产具有重要的现实意义。 减少能量损失和颗粒对设备磨损需要降低输送速度；而输送连续性和稳定性又需要有足够大的输送速度。二者的综合考虑，就是要寻求一种最佳输送速度，在该速度下输送，能量损失最低而又能保证稳定、连续的输送。稳定的密相悬浮输送(略高于最佳经济速度下的输送)能够满足这种要求，它可以克服稀相输送能耗大，对管壁磨损严重的缺点，以及密相栓流输送不连续的缺点，有比较强的工业背景和应用价值。本文主要研究这种密相悬浮输送。 本文论述了课题的研究背景和立项意义；简要介绍了气力输送系统的组成结构；总结了气力输送系统的特点，列举了不同的气力输送系统及其输送装置型式、气力输送实质、状态相图等。本文采用双流体模型。从基本流体力学湍流理论以及颗粒动力力学理论出发，考虑气固两相的相互影响、颗粒与颗粒之间以及颗粒与输送管壁之间的相互作用，建立了气固两相湍动双流体模型。该模型含有宏观的颗粒相输运方程、粘性系数、扩散系数、颗粒温度等流体力学特性参数，能较全面地反映两相间的相互作用。将文献提供的实验数据和本文的模型计算结果进行了比较。结果表明，本模型所预测的压降参数与实验数据较吻合，说明了本模型具有良好的预测性和可靠性。在所建立模型和算法的基础上，对垂直向上气力输送进行了数值研究。对引起颗粒浓度径向分布不均匀的原因进行了分析，发现导致颗粒浓度径向不均匀分布的主要原因是颗粒压力梯度以及颗粒微元温度梯度。对影响垂直气力输送过程的各参数，如输送量、输送气速、颗粒粒径、颗粒密度以及管径等进行了系统研究，得到了各种影响因素下最佳经济速度、颗粒浓度分布以及相关规律。

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气-固两相流 气力输送 双流体模型 压降 最佳经济速度

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建立湿蒸气凝结流动的双流体模型,考虑了湿蒸气汽液两相流动中相间速度滑移、耦合以及湍流扩散作用的影响.针对蒸汽透平叶栅中流动的湍流特性,在单相湍流计算中数值模拟精度相对良好的两方程SST k-ω湍流模型基础上,参照颗粒湍能输运方程理论,推导建立了湿蒸气两相流动SST k-ω-kp湍流模型,模型中引入了液相粘性、导热及扩散系数等拟流体概念.对一直列叶栅中存在自发凝结的湿蒸气流动进行了三维数值模拟,结果表明:与中心截面相比,端壁附近汽流首先出现大量凝结核,并较早恢复到平衡状态,由于涡系结构的存在使得沿叶高汽液两相叶栅出口马赫数之间存在一定差异.本文建立的模型提高了湿蒸气凝结流动三维数值模拟的精度,更好地揭示叶栅中凝结流动的相间作用.

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两相湍流模型 凝结流动 湿蒸气 数值模拟 双流体模型 透平叶栅

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目前化工反应器的模拟引着两个方向发展，通过实验提供物理过程的信息，积累物性数据，对数理模化提供基础；其次，计算机技术的进步促使更复杂的数学模型的应用，提高数值模拟的精度。气液两相流动在化工、生物反应器中非常普遍，对气液两相流动的认识水平制约着对反应器的设计、放大、优化。对于气液两相流动，双流体模型得到了广泛应用，双流体模型的关键问题是相间拖曳力的合理估计，通常采用均一直经来估算，但是对于气液两相反应器，气相存在聚并破碎的情况，采用均一直径的拖曳力估计方法其预测性能大大降低。本文首先在欧拉双流体模型框架下，利用气泡数量平衡方程对两相间拖曳力计算式的单一气泡直径模型进行修正，考虑了鼓泡床反应器湍流区的气泡直径的分布特点，引入拖曳力局部平均气泡直径计算模型。实现了流体方程和气泡数量平衡方程的双向耦合，推导了适用于计算流体模拟的近似公式。在商用软件Fluent中加入相关代码，计算结果和实验对比表明，修改过后的模型在预测能力和计算准确度上均有提高。反应流体在反应器内存在停留时间分布，进而影响反应的转化率。反应器内物料的混返会导致各种不同的停留时间分布，通常只能利用模型化的方法来关联和模拟停留时间分布和混返之间的定量关系，并用于化工及生物反应器的设计与优化，这些模型均有经验常数需要实验确定。本文探讨使用欧拉双流体模型模拟反应器中停留时间分布和轴向扩散系数的方法，即用虚拟示踪剂的模拟方法代替实验。与试验数据对比，虚拟示踪剂模拟方法具有一定的准确度，为CFD在反应器模拟中的使用提供了新的思路。IC反应器作为第三代厌氧反应器的代表，是一种新型结构的厌氧反应器，其处理量大，效率高，有着广泛的应用前景，特别是提升管的结构提高了液相循环速度，使得混合更加剧烈。IC反应器中虽然是气液固三相流，但是由于其中的固相是微生物聚集所形成的颗粒污泥，其密度和水非常接近，从而可以采用气液两相描述反应器中的流动特征。针对IC反应器数值模拟工作的不足，本文利用欧拉双流体模型对IC反应器的流动进行了数值模拟与分析，为IC反应器的物理和数学模型的研究以及数值模拟奠定了基础。

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CFD 气泡数量平衡方程 生物反应器 双流体模型 停留时间

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在双流体模型中引入界面浓度输运方程,利用界面浓度和气泡平均Sauter直径模化各相间作用力.引入一附加湍动能输运方程模化气泡诱导引起的液相湍流.利用该模型对方截面鼓泡床内气液两相流进行三维瞬态数值模拟.计算结果表明该模型能较好得模拟方截面鼓泡床内气液两相流时均和瞬态流动特征.

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鼓泡床 界面浓度 双流体模型

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在经典Euler/Euler型水动力模型基础上,引入考虑不同直径气泡的种群平衡方程来描述气液两相泡状流,对液相和气相分别建立了基本方程,通过对气泡的受力分析并考虑气泡之间聚合和破碎效应后给出了本构方程,建立了封闭的双流体模型并用于垂直管道湍流泡状流的三维数值模拟.模型预测值与实验数据的比较结果表明该模型能较好地模拟垂直管道湍流泡状流中的相含率分布、速度分布、湍动能分布、气泡直径分布以及气泡直径分布的演变过程.

Keyword ：

气泡聚合和破碎 双流体模型 湍流泡状流

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