稠密氣固系統(tǒng)非球形顆粒運(yùn)動機(jī)制的試驗(yàn)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(xué)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(xué)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(diǎn)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(jī)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(jì)和優(yōu)化等方面都遇到一定的困難。本文從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面，對稠密氣固非球顆粒運(yùn)動機(jī)制進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)，通過捕獲非球形顆粒在均勻流場中的運(yùn)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(shí)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(xì)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(xì)

4、節(jié)，也可以快速計(jì)算顆粒在流場中的介尺度受力和運(yùn)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(jì)算中，顆粒速度和孔隙率計(jì)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(jī)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(shí)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(yàn)驗(yàn)證了流型、壓降以及速度分布等重要流體動力學(xué)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-玉米顆粒混合物在噴動床的流動過程，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(yùn)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