稠密氣固系統(tǒng)非球形顆粒運動機制的試驗和CFD-DEM耦合模擬研究.pdf

1、稠密氣固流動系統(tǒng)在能源、環(huán)保、冶金、化工、材料、制藥等領(lǐng)域的物理和化學過程中有著十分廣泛的應(yīng)用，在眾多稠密氣固流動系統(tǒng)的物理和化學過程中，絕大部分情況下顆粒的形狀都是非球形（如條狀、柱狀、塊狀、橢球狀、藥片狀、環(huán)狀和錐狀等）。稠密氣固系統(tǒng)的兩相流動存在復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，與球形顆粒體系相比，非球形顆粒還具有自身的特點和難度。國內(nèi)外針對稠密非球形顆粒氣固流動的研究尚處于發(fā)展階段，不同尺度下氣固相互作用機理未被完全掌握，至今尚未形成較為完整的

2、理論體系，以至于在稠密氣固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)放大、設(shè)計和優(yōu)化等方面都遇到一定的困難。本文從試驗和數(shù)值模擬兩個方面，對稠密氣固非球顆粒運動機制進行了較深入的研究。
　　 構(gòu)建了“激光+雙高速CCD耦合成像”非球形顆粒曳力試驗系統(tǒng)，通過捕獲非球形顆粒在均勻流場中的運動，研究了高顆粒雷諾數(shù)下湍流場中非球形顆粒的曳力特性，獲得了圓柱、圓盤、正方體、長方體等四種非球形顆粒的曳力系數(shù)隨顆粒物性參數(shù)（形狀、大小、密度）和操作參數(shù)（氣流速度、顆粒雷諾數(shù)

3、）的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)了非球形顆粒曳力系數(shù)與顆粒物性參數(shù)、操作參數(shù)之間的關(guān)系，提出了顆粒雷諾數(shù)范圍412＜Rep＜41257，球形度范圍0.419＜(φ)＜0.874，平坦度范圍0.494＜da/dv＜1.678的非球形顆粒曳力系數(shù)關(guān)聯(lián)式。
　　 實踐發(fā)展了非一致性網(wǎng)格下氣固耦合離散元數(shù)值模擬方法。氣相場采用精細協(xié)調(diào)的高密度網(wǎng)格，顆粒場采用均勻粗大的正六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，氣固兩相雙向耦合后既可以捕捉流場演化過程的區(qū)域流動細

4、節(jié)，也可以快速計算顆粒在流場中的介尺度受力和運動。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了稠密氣固系統(tǒng)的CFD-DEM并行數(shù)值模擬平臺，并成功應(yīng)用于球形顆粒在柱錐形噴動床的噴動過程的模擬計算中，顆粒速度和孔隙率計算誤差分別為12.1％和10.6％。
　　 在稠密氣固耦合離散元數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的建立非球形顆粒氣固耦合離散元模擬的核心數(shù)理模型。發(fā)展了非球形顆粒的三維球元構(gòu)建理論，提出對球元構(gòu)建質(zhì)量的評估方法，獲得了較為通用的構(gòu)建非球形顆粒所需的球元

5、數(shù)量及排列規(guī)則。分析了同種非球形顆粒和不同種非球形顆粒之間的碰撞受力機制及碰撞力模型和曳力模型對模擬精度的影響，并將本文提出的非球形顆粒曳力系數(shù)模型引入曳力模型之中，建立了稠密非球形顆粒系統(tǒng)的CFD-DEM并行數(shù)值模擬方法及平臺，實現(xiàn)了多種非球形顆?；旌象w系的CFD-DEM并行數(shù)值模擬，適用于單種非球形顆粒體系和多種非球形顆?；旌象w系，玉米和圓柱顆粒的噴動床試驗驗證了流型、壓降以及速度分布等重要流體動力學特性。
　　 基于本文所

6、建立的稠密非球形顆粒系統(tǒng)的CFD-DEM并行數(shù)值模擬平臺，模擬了球形-玉米顆?；旌衔镌趪妱哟驳牧鲃舆^程，獲得了不同顆粒物性參數(shù)下和操作參數(shù)下的宏觀尺度氣固流動結(jié)構(gòu)、介觀尺度顆粒速度、濃度和混合特性、顆粒尺度顆粒運動軌跡、顆粒碰撞和顆粒受力等信息。此外，模擬了球形-多種非球形顆粒（包括圓柱、圓盤、片狀、橢球、正方體等）在流化床的混合流動，獲得了不同操作參數(shù)下的宏觀尺度氣固流動結(jié)構(gòu)、介觀尺度顆粒濃度分布和混合特性以及顆粒尺度顆粒碰撞和受力信