撞击流气固两相流动中曳力模型的分析

为研究水平对称撞击流中气固两相曳力模型对球形颗粒运动的影响,运用FLUENT软件对spherical、stokes-Cunningham模型以及一种新型曳力模型下的气固两相流进行了数值模拟。新型曳力模型利用FLUENT中用户自定义函数(UDF)程序实现。采用欧拉-拉格朗日方法计算流场速度分布、进出口压力差、颗粒在撞击流装置停留时间以及颗粒运动轨迹。结果表明,采用新型曳力模型模拟撞击流气固两相流动,其速度分布基本关于撞击面对称分布。对于不同曳力模型,气固两相撞击流装置进出口的压力差在24. 9～25. 0 Pa之间。采用新型曳力模型模拟颗粒在撞击流装置停留时间主要分布在0. 4～1. 0 s,其颗粒运动现象与实验结果在定性上是一致的。     

湍流对气固两相流动中颗粒受力的影响

采用数值计算方法研究了流经静止球形颗粒的湍流流动。考察了不同湍流模型 (标准 k-ε模型、RNG k-ε模型和 Realizable k-ε模型 )对后台阶流动的计算结果的准确性 ,从中选取表现比较优越的 RNG k-ε模型对颗粒附近的湍流流动进行详尽的数值模拟。计算中湍流度取为 10 %～ 80 %之间 ,湍流尺度为 10 -5～ 4m。发现湍流尺度的变化对曳力系数的影响比较小 ,只是在小尺度条件下存在一定影响 ;而湍流度对颗粒曳力系数产生较大的增强作用 ,尤其在小颗粒Rep 条件下。得出的结论与以往文献不同 ,有待于更广泛的实验与理论方面的检验     

高速圆射流中典型非球形颗粒的扩散特性

低氧稀释(moderate and intense low-oxygen dilution,MILD)燃烧具有传热均匀、 NO_x污染物排放低的特点。新一代MILD煤粉燃烧技术主要通过高速射流引起强烈的湍流混合来实现。其中,煤颗粒在高速射流中的扩散行为非常关键。目前对球形颗粒在气固射流中扩散行为的研究已非常深入,然而化石燃料属于典型的非球形颗粒,其在射流中的扩散行为与球形颗粒具有一定的差异,该类非球形颗粒在高速射流下的扩散特性值得进一步研究。为此,该文采用玻璃珠、玻璃渣和煤粉等颗粒开展了宽Re范围下的高速两相圆射流实验,通过激光Doppler相位分析技术(phase-Doppler anemometry,PDA)获取并分析了颗粒的质量浓度、速度及湍动能分布随球形度、粒径以及射流速度的变化规律。结果表明:非球形颗粒在射流中的质量浓度、速度、湍动能分布与粒径较小的球形颗粒具有一定相似性,但其扩散行为不能仅通过Stokes数进行定量表征,除曳力之外,升力对非球形颗粒扩散也具有一定影响;与球形颗粒相比,非球形颗粒的扩散更为显著,其主要原因是其径向湍动能显著增强所致;射流速度的增加促进了颗粒的剪切层集聚和径向扩散,对非球形颗粒的促进作用更强。     

异质柱形颗粒与球形颗粒混合流动特性的CFD-DEM数值模拟分析

针对成型生物质颗粒与流化介质在气固流化床中的混合流动过程,采用数值模拟对该过程进行描述和分析。应用Fortran语言编程,构建复杂组分的三维气固两相流模型,在介观尺度下对流化床中异质异形颗粒的混合流动模拟问题进行研究。在欧拉和拉格朗日框架下,分别采用不同方法构造柱形颗粒:在CFD模型中,采用虚拟小球法描述柱形颗粒,引入体积分数改进曳力系数公式;在DEM部分,采用球元叠加法构造柱形颗粒,引入软球模型计算颗粒间的碰撞力。基于上述方法,模拟表观气速分别为1.0 m/s和2.0 m/s时的柱形生物质与石英砂混合流动的物理过程,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:该方法能较好地模拟在鼓泡床状态下异质柱形颗粒与球形颗粒混合流动的过程。     

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法.使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态.通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高.与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动.     

曳力模型对水平管高压密相气力输送模拟的影响

在欧拉-欧拉方法的基础上,引入Dartevelle摩擦应力模型、修正的颗粒动理学理论,采用考虑摩擦应力项的JohnsonJackson固相壁面边界模型以及Realizable k-ε-k_p-ε_p气固湍流模型对水平管高压密相气力输送进行了数值模拟,并考察了Huilin-Gidaspow曳力模型、Mckeen曳力模型以及构建的三段式曳力模型对数值模拟结果的影响.结果表明:与其他2个曳力模型相比,采用三段式曳力模型所得的模拟结果不仅精准地预测了水平管压降及水平管压降随补充风量的变化规律,其相对误差在-3.7%～+5.2%以内,而且更加合理地反映了水平管高压密相气力输送各流动形态的输送特性.采用三段式曳力模型预测的水平管固相体积浓度分布与ECT图相吻合,从而证实了三段式曳力模型更适用于模拟水平管高压密相气力输送.     

高炉料流轨迹的数学模型

针对目前高炉料流轨迹计算的不足,本模型考虑了颗粒在空区下落过程中受重力、浮力及煤气曳力的作用,计算了炉料颗粒在溜槽和空区下落等阶段的运动轨迹. 通过探讨不同炉料(焦炭、烧结矿、球团矿)在其粒径范围内的布料半径变化及煤气的曳力大小,分析了曳力对炉料落点的影响规律. 结果表明:精确计算料流轨迹必须考虑煤气曳力的影响,不同密度、粒径及形状系数的颗粒在料面上落点各不相同,炉顶煤气流分布将影响高炉炉料的径向分布.     

生物质流化床快速热解多流体模拟的研究进展

多流体模型广泛用于生物质流化床快速热解过程的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟。本文总结了常用模型对模拟结果的影响规律:热解动力学模型影响模拟结果中热解产物的分布,所预测热解产物产率的准确性随着热解模型精确程度的增加而提高;气-固曳力模型不仅影响热解产物分布,并影响着生物质/炭颗粒的夹带行为,采用考虑介尺度结构的气-固曳力模型能获得与实验更加吻合的模拟结果;在多流体模拟中往往采用简化的颗粒内传热模型描述颗粒内的传热效应,但在不同报道中该模型对模拟结果的影响存在显著差异;颗粒缩径模型可预测反应器内生物质颗粒的粒径分布,主要影响生物质颗粒的流动行为。并结合团队的研究经历,对模型的选用及未来研究方向提出了观点和建议。     

微米沙尘涡轮叶片带肋冷却通道两相流动特性分析

将大涡模拟方法和微米颗粒弹塑性碰撞理论相结合,研究了微米沙尘在涡轮叶片带肋冷却通道中的气粒两相流动特性。根据颗粒弹塑性碰撞接触理论和微米沙尘材料属性预测模型,得到微米沙尘-镍基单晶材料壁面恢复因数随碰撞角度的变化曲线。考虑颗粒曳力、Saffman升力、压力梯度力,结合两相流理论计算了微米沙尘在叶片带肋冷却通道中的输送特性。研究结果表明:大粒径沙尘易随高速气流沿通道中央区域流动,小粒径沙尘的运动表现出更多的分散性。近壁面涡流的存在使得肋前后易出现沙尘集中,这增大了沙尘在冷却通道内沉积的概率。     

基于CFD的深水隔水管螺旋列板几何参数优选

基于计算流体动力学方法(CFD),利用FLUENT软件计算亚临界雷诺数条件下隔水管和螺旋列板的升力系数和曳力系数等流场参数并进行对比;以流场参数为目标函数,建立正交数值模拟试验,并对螺旋列板几何参数进行敏感性分析,确定几何特性对列板性能的敏感度.结果表明:列板高度和条数对减振功效和曳力性能郁有显著影响;优化的几何参数组合可为现场应用中螺旋列板的结构设计提供参考.     

主动脉动气流分选机理及流场模拟

通过分析不同雷诺数流型下颗粒运动阻力系数的差异,考虑主动脉动气流流场中颗粒运动所受到的附加质量力作用,分别得出斯托克斯和牛顿2种流体的颗粒在主动脉动气流场运动的动力学方程.对直径和密度不同,但空气动力学特性相同的等沉球形颗粒,进行动力学方程的计算机数值模拟,并优化动力学模型参数.在此基础上,应用颗粒高速动态分析系统对示踪颗粒的运动规律进行分析,研究主动脉动气流分选优于传统气流分选的机理.研究结果表明,数值模拟与示踪颗粒的实验室分选试验结果具有很好的一致性,低密度颗粒速度幅值与均值相对误差小于8%,高密度颗粒速度幅值与均值相对误差小于5%.     

喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟

采用离散元方法（DEM）,在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,对喷动流化床煤部分气化炉内的气固流动进行了三维数值模拟．直接跟踪床内每一个离散颗粒,考虑了碰撞力、携带力、重力、剪切提升力和Magnus升力,颗粒碰撞采用软球模型．获得了喷动流化床典型操作参数下的流动结构、颗粒的受力、颗粒的速度分布、气体和颗粒的湍流强度等结果．结果表明,颗粒之间碰撞率随着喷动气速的增大而增大,随粒径的增大而减小,然而颗粒与壁面的碰撞率受喷动气速和粒径的影响不明显．颗粒的运动受重力、携带力和碰撞力主导,除喷动区与环形区交界外,Magnus力和Saffman力可以忽略．气体湍流强度是颗粒湍流强度的2～3倍,近壁面区的气体和颗粒的湍流强度均较小．     

介质颗粒在尘埃等离子体金属棘轮中的运动

通过实验研究了等离子体环境中金属棘轮对介质尘埃颗粒的整流过程.单分散聚苯乙烯颗粒悬浮在处于等离子体环境中的金属棘轮通道内,通过调节气压和放电功率实现了对颗粒的整流,颗粒在锯齿通道内做可控性定向运动.实验中只观察到颗粒的逆向运动.由于金属棘轮电势低,其表面较厚的鞘层对颗粒形成较强的约束,颗粒受到的非平衡切向离子拖曳合力更大,这将引起颗粒更快的定向运动.实验结果为建立尘埃等离子体棘轮模型奠定基础.     

近壁湍流和微颗粒的两相作用及减阻效应

为研究颗粒和近壁湍流的相互作用和流动阻力问题,采用点-力双向耦合模型并结合Lagrange粒子追踪法,对负载颗粒的槽道湍流进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS).同时,从含颗粒作用外力项的NavierStokes方程出发,推导颗粒加载湍流的阻力系数表达式.考察较低容积比下粒径小于Kolomogrov尺度的颗粒对湍流结构的调制以及湍流减阻现象,讨论颗粒尺度和数量等加载参数对阻力系数的影响,发现在本研究范围内的细微颗粒对湍流的调制以抑制作用为主,同时产生明显的减阻效应.     

聚变反应中产生的α粒子的自举电流

本文对聚变产生的α粒子自举电流进行了研究,研究中采用了简便的Pade近似形式,同时考虑了回旋角散射效应和慢化过程中牵引作用的影响,给出了α粒子自举电流计算的理论表达式.采用ITER装置参数进行了数值计算,得到了α粒子自举电流的密度分布和大小,研究了影响自举电流大小的物理因素.结果表明α粒子自举电流随中心等离子体初始温度、密度和α粒子初始能量的增大而增大.结果表明α粒子自举电流较小,只占总自举电流的7%左右.     

燃烧过程中脱挥发分引起煤颗粒破碎的研究

从理论上分析了燃烧过程中脱挥发分引起的煤颗粒破碎机理，并通过模型预测了脱挥发分过程中球型颗粒内部的压力和应力分布，研究了颗粒大小、温度等几个因素对脱挥发分引起的破碎的影响，研究表明，煤颗粒的挥发分含量越高、炉膛内的温度越高，颗粒越容易破碎；颗粒越小，发生破碎需要的时问越短，但是极小的颗粒可能不会发生脱挥发分破碎，这和颗粒内部的对流孔径有关；此外，挥发分含量极小的颗粒，可能不会发生脱挥发分破碎。     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

基于DEM的埋管鼓泡流化床内颗粒运动特性模拟

该文采用离散单元法(DEM)对水平埋管的鼓泡流化床内颗粒流化过程进行了数值模拟研究。DEM方法通过求解Newton方程来模拟颗粒的运动过程,气相仍采用连续流方法模拟。因此,DEM方法能够获得颗粒尺度量级的详细结果。通过模拟不同埋管布置方式下流化床内密相区颗粒流化过程,研究了埋管布置方式对于鼓泡流化床内的颗粒运动的影响。结果表明:埋管布置方式会改变床层有效流通面积和埋管对颗粒的阻碍作用等,从而影响流化床内的颗粒群和气泡形态。埋管数量越多,颗粒与埋管由于相互作用而消耗的能量越大,平均颗粒速度和颗粒温度值越低。不同的埋管布置方式会导致颗粒混合速率的差异,增加埋管数量会降低颗粒混合程度。