基于CFD-DEM耦合法的调质器传质过程建模与仿真

调质是饲料制粒或膨化重要的前处理部分。为了在调质器的设计过程中能够更好地预知主要结构参数对调质效果的影响,采用CFD-DEM偶合法模拟调质器的实际工作过程。文中采用中机华丰科技有限公司生产的C400调质器为原型,构建仿真模型模拟其传质过程,发现调质过程中物料对蒸汽的阻碍,物料成团性可以被模拟,仿真所得的调制时间为实际时间的75%。结果表明,该法能够模拟调质腔内流场分布、调质时间、叶片安装方式对物料的输送作用等。

基于CFD-DEM耦合法的莲子壳仁分离装置优化与试验分析

借助FLUENT软件对莲子物料分离通道气流场分布规律进行仿真分析。采用CFD-DEM耦合法对混合物料在分离通道中的分离过程进行数值模拟。以分离气流速度、入料管倾斜角、分离通道倾斜角为因素开展了仿真试验,分析了各因素对清选率的影响,确定了分离通道的优化工艺参数为:入料管倾斜角60°、分离通道倾斜角35°、分离气流速度7.881m/s,与实体样机试验结果一致。试验结果表明CFDDEM耦合仿真方法可用于莲子物料分离的研究,所获工艺参数为莲子混合物料分离机的设计提供了参考依据。

基于CFD-DEM耦合法的灭火机风筒优化与试验

为了进一步研究风力灭火机的灭火性能,并防止灭完火的区域死灰复燃,在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上,而后两者分别主要由灭火剂颗粒的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用6MF-30型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠性,采用CFD-DEM耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒长度作为因素,按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验,进行显著性检验和方差分析,建立了回归方程。结果表明:3个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性,显著水平分别为P<0.0001和P<0.001,而这3个参考因素与出口风速无明显相关性;3个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳参数组寻优,发现喷射式风力灭火机收缩角取20°,灭火剂添加孔道距进风口140 mm,风筒长度700 mm时喷射式灭火机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示,颗粒喷出速度提高至41.24 m/s,同时风筒内颗粒数降低至209个。实体样机验证试验表明:采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程2.15 m,缩短灭火时间1.7 s且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

基于CFD-DEM算法的气力输送气固两相流特性分析

超轻粉体颗粒由于质量较小,在运输过程中易受气流扰动而飘散,物料的管道气力输送过程不稳定,易发生堵塞。为了研究超轻粉体颗粒在旋流气力输送中气固两相流流动特性,采用计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM),对Komax型静态混合器内气固两相流动特性进行数值模拟研究。研究发现,带有Komax型元件的水平管道可以改变颗粒的流动情况,改善了水平管道内颗粒堆积和分布不均匀的现象;分别从颗粒相和流体相的流动状态分析得到元件长径比Ar=3时为最优几何结构;通过正交实验极差分析得到影响气固两相流动特性的因素顺序:输送气速>颗粒质量流量>颗粒粒径。当元件Ar=3时,颗粒-颗粒和颗粒-管壁的碰撞次数与碰撞强度呈现负相关,结合出口颗粒流分散状态,优选输送气速为3~4m/s;主要考虑输送气速对管内压降的影响,提出了带有Komax型元件的水平管道气力运输过程中压降与输送气速和轴向位置的经验拟合式。

基于CFD-DEM耦合模拟的CJ15湿法研磨介质碰撞能量分析

采用CFD-DEM耦合模拟的方法,以CJ15湿法研磨转子为研究对象,深入分析了在不同转子转速、研磨介质填充率、研磨介质直径三种影响因素对于研磨介质碰撞能量的影响,得出提高研磨介质的切向能量能够有效提高研磨效率、转子转速和填充率对研磨效率影响并不是一直保持线性关系的、得出转速1200r/min,填充率90%,研磨介质直径0.8mm是较优工艺参数,为实际工业生产提供了一定的理论指导。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定钆铁合金中钆铁配分量

建立电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定钆铁合金中钆铁配分量。用硝酸溶液溶解样品,选择钆342.246 nm,铁238.204 nm作为分析谱线,在优化的仪器工作条件下,利用ICP-AES法测定钆铁合金中钆铁的配分量。钆和铁的质量浓度分别在10.00~19.00、1.00~10.00μg/mL范围内与对应元素的光谱强度具有良好的线性关系,相关系数均为0.9999,检出限分别为0.072%、0.078%,定量限分别为0.24%、0.26%。按照所建方法对钆铁合金进行测定,钆、铁配分量测定结果的相对标准偏差分别为0.21%~0.28%、0.49%~0.71%(n=6),钆和铁的回收率分别为95.2%~103.5%,98.4%~101.8%。该方法适用于钆铁合金中钆铁配分量的测定。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定固体生物质燃料中微量元素

对比分析了固体生物质燃料中微量元素样品前处理方式,确定了微波消解程序,给出了电感耦合等离子体原子发射光谱法测定微量元素的方法检出限,各微量元素线性方程相关系数≥0.999,平均回收率在87.72%~109.49%之间。采用标准物质对方法准确性和重复性进行验证,各元素测定值均在标准证书值范围内,相对标准偏差在0.59%~6.25%。通过7家实验室协同试验,给出了方法精密度。F检验和t检验表明,电感耦合等离子体原子发射光谱法与火焰原子吸收光谱法不存在显著性差异。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定锆镍合金粉中锆

建立电感耦合等离子体原子发射光谱法测定锆镍合金粉中的锆含量。采用硝酸-氢氟酸溶解样品,选择339.198 nm谱线作为锆元素分析谱线,通过基体匹配法消除镍基体干扰。锆的质量分数在0.1%~40%范围内与光谱发射强度线性关系良好,相关系数为0.9997,方法检出限为0.0054%,定量限为0.018%。采用所建方法对锆镍合金模拟样品和锆镍合金粉样品进行测定,测定结果的相对标准偏差为0.208%~0.408%(n=11),样品加标回收率为98.9%~102.5%。该方法能够快速、准确地测定锆镍合金粉中的锆含量。

矿井微震与电法耦合监测技术

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制,地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征,地下水渗流对应地电场特征,因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能,可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉;减少单一地球物理方法多解性,提高水害监测预警精度,对煤矿防治水意义重大。当前,微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用,突破传统微震与电法独立采集的局限,课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统,该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心,集被动源微震波场与主被动地电场为一体,通过连接矿井物联网,实现远程数据采集控制、传输及云端存储;其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站,并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集,形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关;结合并行监测的微震电法大数据集,重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术,作为矿井水害的主动预警监测新方法,可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域求解的推进算法研究

在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.

偏硼酸锂熔融-电感耦合等离子体发射光谱法测定铍矿石中的铍及主量元素

广泛赋存在花岗伟晶岩和热液石英脉中的铍矿石是铍最重要的矿物载体,目前铍矿石系统分析仍以传统化学法为主,影响分析效率,亟待开发一种简单高效的铍矿石中多元素分析方法。本文建立了一种基于偏硼酸锂熔融-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定铍矿石中铍及主量元素的定量分析方法,使用4∶1熔剂-样品比,950℃下熔融15min后,通过超声提取制备溶液。偏硼酸锂熔融法能有效地分解铍矿石中的氧化物,克服了传统酸溶或碱熔无法检测硅、钠、钾等元素的局限。本方法通过校准曲线与样品基体匹配,加入铕作内标等措施消除基体效应,实现了各元素(以氧化物计)低至0.003%~0.2%的检出限,满足铍精矿质量检测需求。对绿柱石、香花石、日光榴石样品(BeO含量范围为0.14%~13.33%)测定的相对标准偏差(RSD)小于6.83%,与混合酸酸溶分析方法的测定值相对偏差为0.06%~21.28%。通过标准物质GBW07150、GBW07151和GBW07183验证,本方法精密度和准确度均符合地质矿产实验室测试质量管理规范,适用于多种类型铍矿石样品中铍及主量元素的快速连续分析。

萃取/反萃取-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定肥料样品中铅、镉、汞、铊、锑、砷

为保障农产品的质量与安全,肥料中的有毒有害物质,尤其是重金属含量被严格限制。为提高肥料中有毒有害物质检测的效率,利用铅、镉、汞、铊、锑、砷在盐酸介质中形成稳定的碘络合物的特性,采用甲基异丁基酮(MIBK)萃取、硝酸溶液反萃取的方法实现肥料样品中基质与待测元素的分离,通过电感耦合等离子体发射光谱法测定肥料样品中的6种重金属元素。通过考察萃取条件及残余基体对分析结果的影响,结果证实,在6 mol/L的盐酸萃取体系中加入5 mL碘化铵(30%)溶液,采用10 mL的MIBK萃取2~3次即可使样品中的铅、镉、汞、铊、锑、砷等被完全萃取,通过萃取/反萃取的方法实现了样品的分离富集,方法的检出限(3σ)为铅0.042 mg/kg、镉0.005 mg/kg、汞0.059 mg/kg、铊0.026 mg/kg、锑0.024 mg/kg、砷0.052 mg/kg,加标回收率在90.1%~108%,可以满足不同肥料样品的质量控制要求。按照实验方法测定6种不同肥料样品中的重金属含量,并采用标准方法进行方法比对,结果表明两种方法的测定结果基本一致。

基于CFD-DEM耦合的梯级溜槽的设计与分析

针对传统物料转运过程中溜槽和输送带磨损严重、出口处粉尘浓度过高的问题,建立含臂架的梯级溜槽几何模型,采用基于计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合的数值模拟方法,分析了臂架对转运溜槽的磨损以及对其出口处粉尘排放浓度的影响。仿真结果表明:含臂架的梯级溜槽可以有效控制物料流的速度和方向,降低对溜槽内表面的冲击磨损,降低出口处的粉尘量。

基于交叉迭代法的车辆-轨道非线性空间耦合振动模型及算法改进

针对车辆-轨道非线性空间耦合系统动力学分析计算量大、计算耗时长及计算精度难以保证的问题,对车辆-轨道非线性空间耦合振动模型和交叉迭代法进行改进。运用有限元法分别建立车辆和轨道空间子系统动力学模型,在基于“迹线法”构建轮轨接触几何关系的基础上,提出“投影对点作差法”搜索轮轨空间接触点位置,并引入轮轨准弹性接触对其进行修正,精细化轮轨接触关系;结合车辆-轨道非线性空间耦合系统特点,改进基于Newmark数值积分的交叉迭代求解系统动力学方程的算法,并给出完整的数值计算步骤。通过与相关文献进行对比,验证改进模型和算法的有效性。结果表明:改进模型的分析精度更高,搜索轮轨空间接触点位置的速度更快;改进算法的计算过程更完善,步骤更清晰;改进的模型和算法在提高计算精度的同时,仍然具有较快的计算效率,且使数值编程更易实现,方便工程应用。

基于CFD-DEM流固耦合方法的吸力锚基础负压沉贯数值模拟

吸力锚基础作为一种新型高效的海洋结构物基础形式在海洋工程中得到了广泛应用。对于砂土中的吸力锚沉贯研究,传统试验或有限元数值模拟存在一定局限性。采用基于离散单元法与计算流体动力学理论(CFD-DEM)流固耦合方法对吸力锚在砂土中的吸力贯入过程进行数值模拟分析;通过与室内物理模型试验、沉贯阻力理论解析计算结果进行对比分析,验证CFD-DEM流固耦合方法的有效性和准确性。进一步地,从土颗粒细观尺度上深入分析吸力锚在砂土中沉贯特性。数值模拟捕捉到贯入过程中锚内土塞和砂层变化现象,发现砂层呈现出中间向上凸起的弧状分布,说明贯入产生挤土效应,其造成的土体位移和膨胀也是土塞产生的原因。同时模拟得到贯入过程中的超孔隙水压力等势线分布变化情况和锚内砂层水力梯度的变化情况,证实了砂土中吸力贯入的“安全机制”。最后将数值所得的锚外负压比变化与Houlsby和Byrne理论模型计算结果进行对比,得到锚内土体渗透系数随沉贯的变化规律。通过本研究验证,采用离散元法结合计算流体动力学理论有效地模拟和捕捉吸力锚沉贯过程中的细观土水相互作用、宏观土体变形及渗流场分布等现象,该方法可作为吸力锚沉贯特性研究的一种有效手段。

基于量纲分析法的永磁涡流耦合器结构参数优化设计

针对实心盘式永磁涡流耦合器性能优化问题中参数烦杂多样及优化效率低的问题,运用量纲分析法推导盘式永磁涡流耦合器的无量纲参数,得到速度参数、磁密参数、气隙参数及主要尺寸无量纲数等6个无量纲参数,有效地减少了分析研究的工作量;通过方程分析法验证了无量纲数的正确性;运用三维有限元仿真,分析了各无量纲数对永磁涡流耦合器的输出转矩影响。为提高优化效率,通过响应面法进行了结构优化设计,以提高永磁体利用率,仿真结果验证了优化的有效性。

电感耦合等离子发射光谱法与钒钼黄比色法在有效磷含量测定中的应用比较

在农业生产过程中需要对土壤中的有效磷含量以及肥料中的有效磷含量进行检测,为配方施肥提供重要依据,有效磷检测方法的准确性是评判肥料质量高低、实现配方施肥的关键。研究对电感耦合等离子发射光谱法与钒钼黄比色法这两种有效磷检测方法的灵敏度和准确度进行了比较,明确了电感耦合等离子发射光谱法在213.6 nm条件下的磷检出限为0.05 mg/L,钒钼黄比色法在400 nm检测波长的灵敏度最高,检出限为0.32 mg/L。对两种检测方法的检测准确度进行比较,结果表明电感耦合等离子发射光谱法对不同浓度的有效磷检测准确度均高于96%,其准确度受磷浓度的影响小;传统的钒钼黄比色法检测准确度受磷浓度、检测波长影响较大,对磷含量低于5 mg/L的样品检测准确度下降,且低于电感耦合等离子发射光谱法的检测准确度。研究结果认为对于未知浓度范围的样品,钒钼黄比色法在400 nm波长检测条件下的检测结果较为理想。

电感耦合等离子体质谱法测定复杂高温合金中微量硅

以混酸低温加热方式溶解合金,采用电感耦合等离子体质谱法测定复杂高温合金中微量硅。通过实验前准备、动能歧视和完全匹配基体消除二次污染、多原子离子干扰和共存元素干扰。采用5 mL盐酸、0.5 mL硝酸和几滴氢氟酸作溶剂,于80℃加热溶解合金样品,以Sc为内标校正仪器波动产生的影响。以硅的信号强度值为纵坐标,其质量分数为横坐标,绘制标准工作曲线,质量分数在0.002%~0.10%范围内线性良好,相关系数为0.999,检出限为0.0003%。样品加标平均回收率为90.0%~110.0%,测定结果的相对标准偏差不大于2.0%(n=6)。该方法操作简便,能够满足日常测试要求。

应用CFD-DEM耦合模拟计算排泥管及法兰连接处固液两相流（英文）

对于管内固液两相流数值模拟,一般的做法是将固体颗粒相视为拟流体,采用多相流的CFD方法计算,这难以体现固体颗粒形状大小、碰撞、凝聚和分离等特性。选取常规的两段管径为0.7 m水平排泥管道和一个连接法兰段作为研究对象,运用CFD软件ANSYS-FLUENT模块与离散元软件EDEM耦合求解排泥管内及法兰连接处固液两相流。计算的来流速度为5.0 m/s,固体颗粒密度为1 300~2 300 kg/m^3,固体颗粒入口体积率为10%~30%,粒径在20~60 mm范围内随机变化。因加工和安装的问题导致在管道法兰连接处存在凸出或凹进不平顺的情况。计算得到了在不同的法兰连接状况下的固液两相流场、固体颗粒轨迹和固相体积率分布等结果。