多相流場中顆粒運動及約束面磨損的CFD-DEM耦合模型.pdf

1、目前,人們對流固兩相流動中很多現(xiàn)象和過程還了解較少,根本原因是對流固兩相間作用機理的不了解,對其的研究還主要停留在簡單的實驗觀測和通過實驗數(shù)據(jù)構(gòu)造經(jīng)驗公式上。實驗研究和理論研究存在較大的局限性,一般認為,數(shù)值模擬可以彌補實驗和理論研究中的一些不足,并逐漸成為一種被廣泛接受的研究方法。
　　Reτ流動行為進行研究。而后建立了基于歐拉-拉格朗日思想的流固兩相耦合模型,采用耦合計算流體力學(xué)(CFD)和離散單元法(DEM)的方法,以顆粒與

2、約束面的沖擊力大小表征約束面磨損程度,分別模擬了圓形截面彎管中氣力輸送過程、圓形截面彎管中砂漿輸送過程和化學(xué)機械拋光過程,研究了復(fù)雜流場中顆粒運動行為和由于顆粒沖擊產(chǎn)生的磨損,全文共分為七章:
　　第一章闡述了本文的研究背景,對流固兩相流研究內(nèi)容及研究方法作了簡要介紹。首先回顧了低Reτ正方形截面直管道內(nèi)湍流模擬的研究現(xiàn)狀,然后介紹了氣力輸送和砂漿輸送過程數(shù)值模擬方法及管壁磨損模型研究成果,最后對化學(xué)機械拋光過程研究現(xiàn)狀做回顧,并

3、概括了全文的研究內(nèi)容和研究意義。
　　第二章建立了湍流直接數(shù)值模擬模型,引入自適應(yīng)時間步長法和四階高精度空間離散格式。首先通過數(shù)值算例驗證了自適應(yīng)時間步長法的高效性,采用虛構(gòu)解方法驗證了計算代碼的精度,并利用兩點相關(guān)函數(shù)討論了流向方向長度的選取。對低Reτ正方形截面直管內(nèi)湍流復(fù)雜流動行為進行研究,并與經(jīng)典文獻結(jié)果作對比,驗證了開發(fā)計算軟件的正確性,為下一步引入顆粒相的研究做打下堅實基礎(chǔ)。
　　第三章建立了基于歐拉-拉格朗日思

4、想的流固兩相耦合模型,闡述了顆粒相的數(shù)值模擬方法:離散單元法。采用計算流體力學(xué)和離散單元法的耦合的方法,對流化床進行數(shù)值模擬研究,并與文獻結(jié)果作對比,驗證了建立模型和開發(fā)計算軟件的正確性。
　　90氣力運輸過程,得到了該工況下承載流體壓力、速度分布及顆粒在彎管中的運動分布圖,并統(tǒng)計了彎管內(nèi)外壁受力及磨損情況,計算結(jié)果與文獻中實驗觀測結(jié)果作比較,兩者吻合較好;然后采用該方法模擬了多級彎管內(nèi)氣力運輸過程,比較了多級彎管與90彎管中承載

5、流體壓力損失、速度分布,并統(tǒng)計了多級彎管管壁各部位受力及磨損情況,本章結(jié)果可為氣力輸送過程彎管優(yōu)化設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。
　　第五章研究了圓形截面彎管內(nèi)砂漿輸送過程。首先模擬了圓形截面90彎管工況砂漿輸送過程,比較了同等工況下砂漿輸送與氣力運輸中流體壓力、速度分布及顆粒在彎管中的運動特性的不同,統(tǒng)計了彎管外壁受力及磨損情況,計算結(jié)果與實際輸送過程中破損彎管作比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬預(yù)測破損位置與實際破損位置吻合較好;然后分別研究了輸送速度

6、與布管對最易破損位置的影響;最后研究了U形管中砂漿輸送過程中承載流體壓力、速度分布及顆粒在彎管中的運動特性,統(tǒng)計了U形彎管管壁磨損。本章結(jié)果可為砂漿輸送過程彎管優(yōu)化設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。
　　第六章研究了化學(xué)機械拋光過程。首先通過2個數(shù)值實驗與他人實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了采用PFC3D-CCFD軟件模擬納米兩相流問題的可行性。而后對化學(xué)機械拋光過程進行數(shù)值模擬,研究了晶片和拋光墊轉(zhuǎn)速、顆粒相體積分數(shù)對晶片表面去除率的影響,解釋了實驗