计算流体力学基础与多相流模拟应用

本书包含多相流模拟从理论到实践的广泛基础知识。第1章深入浅出地介绍计算流体力学基础；第2章阐述多相流基本原理及其煤化工应用；第3章介绍比较成熟的多相流数值模拟方法；第4、5章分别介绍圆球绕流和气泡上升两个经典的多相流模拟案例，指导初学者使用CFD软件，分析简单的多相流问题；第6~8章结合能源与动力工程专业特点，介绍气液鼓泡塔两相流、气流床煤气化和射流流化床煤气化三个模拟案例，让读者了解多相流模拟技术的近期新进展。本书旨在为对计算流体力学，特别是对多相流模拟感兴趣的初学者提供一本较为系统的、方便自学的参考书，可作为能源与动力工程相关专业研究生的教材，也可作为机械、环境和化工等领域从事多相流模拟和应用的研究生和工程技术人员的参考资料。

前言
第1章 计算流体力学基础 1
1.1 流体的性质 1
1.2 流体动力学基本方程 2
1.2.1 梯度、散度和旋度 2
1.2.2 守恒方程 4
1.3 控制方程的离散方法 7
1.3.1 有限差分法 8
1.3.2 有限体积法 10
1.4 压力-速度场耦合求解的 SIMPLE算法 12
1.5 湍流与湍流模型 13
1.6 初值和边界条件 16
1.7 插值、迭代与数值算法基础 18
1.8 迭代求解的收敛性与稳定性 22
1.9 计算机网格生成 24
第2章 多相流基本原理及其煤化工应用 25
2.1 颗粒、气泡和液滴的特性与表征方法 25
2.2 单个颗粒在流场中的运动与阻力 26
2.3 单个气泡在液体中的运动与变形 30
2.4 气液鼓泡塔 30
2.4.1 整体气含率 33
2.4.2 局部气含率沿径向分布 35
2.4.3 轴向液速沿径向分布 37
2.4.4 气泡尺寸及其分布 39
2.5 气固流态化 41
2.6 气流床煤气化 43
2.6.1 GE(Texaco)气化炉 44
2.6.2 E-Gas(Destec)气化炉 45
2.6.3 多喷嘴对置式水煤浆气化炉 46
2.6.4 Shell气化炉 47
2.6.5 Prenflo气化炉 49
2.6.6 GSP气化炉 50
2.6.7 两段式干煤粉气化炉 51
2.6.8 MHI气化和日立气化 52
2.7 煤的催化气化 53
2.8 煤液化 54
第3章 多相流数值模拟方法 56
3.1 相边界运动追踪的直接数值模拟 56
3.2 VOF方法 57
3.3 L-S方法 59
3.4 质点运动追踪的离散颗粒轨道法 62
3.5 基于体平均的气液双流体模型 66
3.5.1 控制方程 66
3.5.2 相间作用力模型 68
3.5.3 湍流模型 73
3.5.4 气泡模型 78
3.6 基于颗粒动理学封闭的浓密气固两相流模拟方法(TFM-KTGF) 82
3.6.1 守恒方程 82
3.6.2 颗粒动理学理论及其子模型 84
3.6.3 气固相间作用力模型 91
第4章 圆球绕流的模拟与阻力分析 96
4.1 问题描述 96
4.2 边界层流动与壁面函数 97
4.3 DES模拟 99
4.4 网格切分与 FLUENT求解器的设置 100
4.5 计算结果及数据后处理分析 103
4.5.1 升、阻力系数 109
4.5.2 涡脱落频率 110
4.5.3 分离角 111
4.6 不同雷诺数流动的模拟分析 111
第5章 气泡上升过程的直接数值模拟 113
5.1 单个气泡上升问题描述 113
5.2 模型选择与求解步骤 114
5.3 气泡的变形特性 120
5.4 气泡上升速度及阻力变化 122
5.5 气泡周围流场 124
第6章 气液两相群体平衡气泡模拟 128
6.1 问题的提出 128
6.2 群体平衡气泡模型方程 128
6.3 气泡合并分裂模型的对比 132
6.3.1 气泡合并模型 132
6.3.2 气泡分裂模型 137
6.4 改进气泡合并分裂速率模型的提出 142
6.4.1 合并速率模型 142
6.4.2 分裂速率模型 148
6.5 含列管内构件气液鼓泡塔数值模拟 152
6.5.1 计算模型概述 152
6.5.2 壁面润滑力模型 153
6.5.3 基准案例的描述及操作条件的设置 154
6.5.4 壁面润滑力的影响 155
6.5.5 低表观气速下的模拟结果 157
6.5.6 高表观气速下的模拟结果 163
6.5.7 含列管内构件鼓泡塔模拟结果总结 168
第7章 气流床煤气化过程模拟 169
7.1 煤粉射流流动与反应特点 169
7.2 基本控制方程 170
7.3 雷诺平均与湍流封闭 170
7.4 颗粒弥散及其模拟 171
7.5 煤脱挥发分模型 171
7.6 颗粒气化反应模型 172
7.7 湍流与反应相互作用 173
7.8 辐射能守恒方程及其求解方法 175
7.9 数值求解过程 175
7.10 多喷嘴加压气流床煤气化炉模拟 176
7.10.1 多喷嘴气化炉的计算网格 176
7.10.2 煤质分析 177
7.10.3 计算工况及边界条件 177
7.10.4 典型工况模拟结果 179
7.10.5 网格数对模拟结果的影响 182
7.10.6 氧煤比对模拟结果的影响 184
7.10.7 喷嘴顶部空间高度对模拟结果的影响 186
7.10.8 水蒸气煤比对模拟结果的影响 188
7.11 本章小结 190
第8章 射流流化床煤气化炉模拟 192
8.1 模拟对象和操作条件 192
8.2 模型描述和模拟方法 194
8.3 气固流体动力学模拟与验证 198
8.4 射流内温度分布 202
8.5 床层内气化反应与气体组分分布 203
8.6 本章小结 206
参考文献 207