液滴与壁面碰撞模型研究

液滴在运动过程中与壁面发生碰撞后会发生破碎、反弹、附着等现象,这取决于液滴的尺寸、入射速度和角度,以及壁面的粗糙度、温度等因素.为了研究这个问题,在考虑以上因素的基础上,建立了液滴与壁面碰撞模型,并结合欧拉-拉格朗日两相流模型,分别对单液滴、水滴与壁面碰撞的情况进行了数值模拟.计算所得的结果与预期相同,并且与试验结果也吻合得较好,从而证明了所使用的液滴与壁面碰撞模型的正确性和合理性.

利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动

建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型．该模型包括壁面摩擦、恢复、特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素,因此体现了壁面上各方向Reynolds应力之间的相互转化、湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用,给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响．将本模型应用于气-粒两相水平槽道流动并用PDPA测量结果验证,结果表明,当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果,本模型则给出比较符合实际的结果．

双流体颗粒-壁面碰撞模型在突扩两相湍流模拟中的应用

由于壁面粗糙度的双流体颗粒 壁面碰撞模型中,没有考虑颗粒 壁面碰撞前后颗粒速度相对于平均速度的差别,因此,修正了由此引起的颗粒雷诺应力的变化,并应用其对轴对称突扩流动进行了数值模拟,着重探讨了不同颗粒相边界条件的影响.结果表明,由于考虑了各方向雷诺应力之间的相互转化、雷诺应力从平均运动中得到能量以及壁面对颗粒运动的衰减作用等因素,包括摩擦系数、恢复系数和壁面粗糙度等影响因素的颗粒 壁面碰撞模型和由此得到的简化模型,给出的结果与实验值符合较好,而通常使用的零梯度颗粒壁面边界条件则给出失真的模拟结果.

双流体颗粒-壁面碰撞模型用于旋流流动

对旋流两相流动,用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型,结合二阶矩两相湍流模型和不同颗粒相边界条件,进行了数值模拟。结果表明,由于考虑了各方向雷诺应力之间的相互转化,雷诺应力从平均运动中得到能量,以及壁面对颗粒运动的衰减作用等因素,该颗粒壁面碰撞模型给出的模拟结果与实验符合较好,而广泛应用的零梯度颗粒壁面边界条件给出的模拟结果最差。

非球形颗粒碰撞壁面反弹特性的试验及模型

气固分离过程中,颗粒碰撞壁面的反弹行为对颗粒运动及装置的分离效率将产生重要影响。已有研究多针对球形颗粒的碰撞行为,然而实际工业过程中,煤粉、生物质、矿石等颗粒均为非球形颗粒,该类颗粒与壁面碰撞后的反弹行为与球形颗粒存在显著差异。为深入掌握非球形颗粒碰撞壁面的反弹行为,搭建了颗粒壁面碰撞试验装置,采用高速摄像及图像处理方法获得典型非球形颗粒碰撞壁面的基础数据,分析颗粒材质、球形度、壁面粗糙度、撞击角度、撞击速度等关键参数对颗粒-壁面反弹行为的影响。基于颗粒壁面碰撞四参数模型和神经网络模型分别预测了非球形颗粒与壁面的反弹行为的统计和随机分布特性。结果表明各类非球形颗粒与粗糙壁面碰撞的反弹行为存在一致性,说明球形度低于一定数值后,将成为颗粒壁面碰撞反弹行为的主导因素。四参数模型能很好地预测碰撞结果及随机分布特征,而基于试验数据训练的神经网络模型可达到更好的预测效果。

壁面约束对气固两相流中细长颗粒流化特性影响的数值研究

细长颗粒的循环流化在工业生产中具有非常广泛的应用,如生物质秸杆在循环流化床中的燃烧,烟丝在循环流化床中的干燥或加湿等。细长颗粒的流化特性受颗粒间碰撞及当地气场风速等因素的影响。文中根据刚体动力学及动量守恒定理,建立起颗粒–壁面碰撞三维数学模型,并采用此三维数学模型研究了壁面约束效应对细长颗粒流化特性的影响。研究发现,壁面对提升管内壁面附近区域的细长颗粒的取向分布及浓度分布均有明显的影响,并且,取向分布随径向位置变化规律也受壁面约束影响。

壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动影响的PDPA实验研究

用相位多普勒颗粒测速仪(PDPA)测量了颗粒的平均与脉动速度,研究了壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动的影响。研究结果表明,壁面粗糙度减小颗粒纵向平均速度,增大颗粒纵向和横向脉动速度。壁面粗糙度对流场中不同位置处颗粒运动影响的强弱不同,其中逆流区处较弱,下游处较强。壁面粗糙度对不同粒径颗粒运动影响的强弱不同,其中对细颗粒的影响较弱且被局限在壁面附近,对粗颗粒的影响较强且扩散到整个流场。

壁面约束对提升管内细长颗粒浓度分布的影响

基于欧拉-拉格朗日方法,并根据刚体动力学理论及经典流体力学理论,建立了细长颗粒流化运动三维模型.模型中考虑了细长颗粒与壁面三维碰撞问题.基于此模型,并根据实际的结构及运行参数,对细长颗粒在流化床的浓度分布特性进行了数值实验.研究表明,如果不加入惰性物料,细长颗粒无法自身在提升管内形成明显的悬浮段和密相区,也不会在密相区形成明显的双向流动;细长颗粒在流化运动过程中伴有一定的迁移现象,颗粒由四周慢慢向中心移动;壁面附近区域的细长颗粒的浓度分布受流化风速影响明显,这也可能与壁面约束效应有关.

气体平均自由程纳米尺度效应的蒙特卡罗模拟

纳米尺度下的气体流动具有不同于常规尺度的规律,其中重要的特征是纳米间隙中气体分子自由输运行程将减小,进而影响气体的输运规律。利用直接模拟蒙特卡罗方法,考察了依赖于努森数Kn的气体分子壁面碰撞率,计算了分子平均自由程并给出了结果对比,最后验证了依赖于Kn数的纳米尺度效应函数。结果表明:过渡区分子与壁面碰撞率之间满足一定的关系,以此为基础得到的纳米尺度效应函数反映了纳米间隙对平均自由程的影响。

100/200/460/700μm粒子撞击铝板的试验研究

粒子撞击壁面的反弹特性对准确预测发动机中微粒运动轨迹及撞击壁面的腐蚀情况有重要意义。为了获得颗粒的反弹特性,利用高速摄影设备对平均粒径为100、200、460、700μm的石英颗粒在10°~80°撞击角下撞击铝板进行了试验研究。试验结果表明:粒子反弹矢量具有随机性,但在大量统计数据下,其恢复系数分布基本符合高斯分布,可用均值及标准偏差描述。平均切向恢复系数随着撞击角度的增加先减小后增加。平均法向速度恢复系数是撞击角度的三次多项式函数。通过对实验数据的分析获得了4种粒径粒子撞击铝板的切/法向速度恢复系数平均值随撞击角度的变化公式,以及切/法恢复系数的标准偏差的变化规律。

非球形粒子反弹分布特性试验探究

砂粒撞击发动机进气粒子分离器壁面会决定粒子的运动轨迹。为了获得不规则形状对反弹特性的影响,进行了600μm钢珠及600~800μm非球形石英颗粒撞击树脂涂层板/合金钢板/铝板的试验,并分析了统计分布规律。试验结果表明,球形颗粒的恢复系数较为集中,而非球形的石英粒子在相同角度下的恢复系数大致符合高斯分布。切向恢复系数分布则随着撞击角度增加变得更加集中,标准差在撞击角为10°时可达0.28。法向恢复系数趋势相反,标准差在70°时为0.38。法向恢复系数小于0的概率为0,且呈正偏态分布。不同材料壁面的恢复系数相对分布范围主要受粗糙度影响,但对于法向恢复系数,还受到法向分量引起的变形的影响。

垂直丝网附近单个可变形气泡上升运动研究

目的:研究不同初始壁面距离S*下垂直金属丝网对可变形气泡上升运动的影响。方法:采用两台高速相机通过阴影法拍摄气泡运动轨迹,将其运动特性与在静水中以螺旋运动自由上升气泡的运动特性进行比较。结果:当Re数在800附近(气泡等效直径d eq=3.53 mm),其在垂直丝网附近上升路径同自由上升气泡一致,并未发生转捩。不同S*下,气泡的运动轨迹近周期性的振荡运动。与传统不可渗透壁面相比,丝网为可滑移边界并且法向速度非零,其对气泡的阻尼效应以及尾流干扰较小。结论:丝网壁面的存在能够抑制对称涡旋脱落以及气泡路径从螺旋形到成二维之字运动的转捩发生。本文的研究有助于预测或调节近壁气泡分布,并改善相关工程系统中的传热质量。

结构高度对纳米液滴碰撞壁面过程的影响

液滴与壁面的碰撞过程广泛存在于自然界以及各类生产生活中,探究其传热传质作用机理以及形态演变对发展表面自清洁、喷墨打印、强化滴状冷凝、抗结冰结霜等技术都具有重要意义。为了探究结构高度在碰撞过程中的作用,本文通过分子动力学模拟对纳米液滴与壁面的碰撞过程进行了研究。构建了具有方柱状结构的粗糙表面模型,研究了壁面上纳米柱状结构的高度对碰撞过程的影响,记录了液滴的变形过程,并对相关的动力学特征以及能量变化进行了分析。

基于CFD-DEM耦合的面约束软性磨粒流加工特性研究

软性磨粒流加工能有效解决复杂结构曲面的抛光问题。基于该技术特点,针对硬脆性材料加工存在的技术问题,提出一种面约束软性磨粒流加工方法,即通过在工件表面设置窄缝约束流道,利用多向磨粒流注入法,在流道中形成高速涡旋磨粒流抛光工件。同时,针对传统磨粒流建模无法描述磨粒-壁面碰撞行为的不足,提出一种基于计算流体力学与离散元法耦合的磨粒流建模方法(Computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM),并通过该方法得到了磨粒-壁面碰撞分布及工件表面材料去除分布,在此基础上研究了面约束软性磨粒流加工的均匀性。结果表明:入口直径是影响磨粒-壁面碰撞均匀性的关键因素,随着直径的增大,碰撞分布存在最优值;当磨粒流处于不同的流态时,流体黏度对材料去除的作用原理不同,低黏度流体下材料去除均匀性有明显提升。最后搭建试验平台,通过对比试验验证了建模方法及抛光方法的有效性,试验结果显示,面约束软性磨粒流抛光方法能够使得单晶硅表面粗糙度从506.71 nm降低到10.17 nm。

粒子撞击树脂涂层/铝/合金钢板的反弹特性试验

为了精准探索直升机进气粒子分离器性能,研究了砂粒撞击不同壁面材料的反弹特性。采用粒径为600~800μm的砂粒撞击树脂涂层/铝/合金钢板开展试验探究。设计的试验系统可实现单颗粒子撞击板面。撞击角度在10°~80°范围内变化,撞击前后的速度矢量由高速摄影仪拍摄获得。结果表明:撞击树脂涂层板时,法向恢复系数要高于撞击铝板及合金钢板的法向恢复系数。切向恢复系数主要受摩擦力的影响。同时由于阴影效应的影响,在接近切向/法向撞击时,切向/法向恢复系数分别出现大于1的现象。不同扫气比(SCR)下,应用砂粒撞击铝板的切向/法向恢复系数对粒子分离器进行数值模拟的分离效率与已有的分离器试验结果最接近。

密封间隙对高速动车组齿轮箱密封系统分离性能的影响（英文）

目的:研究高速动车组齿轮箱密封系统的密封性能的前提是分析内部油气分离性能。探讨密封系统中油气分离机理和密封间隙(轴向间隙宽度、轴向间隙高度差、径向密封齿形角和径向密封齿相对啮合深度)对油气分离效率的影响,为齿轮箱密封系统的优化设计提供理论基础。创新点:1.采用润滑油和空气混合介质作为工作介质,更贴合工程实践;2.采用液滴-壁面碰撞模型,分析油气分离过程中液滴的运动状态。方法:1.结合离散相模型和液滴-壁面碰撞模型,建立高速动车组齿轮箱的密封系统模型。2.通过试验和数值计算对比,验证仿真模拟的准确性和模型的适用性。3.通过仿真模拟,分析不同液滴直径下密封间隙对油气分离性能的影响;其中,密封间隙包含轴向间隙宽度、轴向间隙高度差、径向密封齿形角和径向密封齿相对插入深度比。结论:1.气流对油滴的拖曳力和油滴的惯性作用影响油滴运动轨迹和密封系统的油气分离效率;其中质量惯性力是主要因素,加速度惯性力与气流拖曳力是次要因素。2.随着轴向间隙宽度的增大,小直径油滴(1μm)分离效率降低,大直径油滴(5μm)分离效率基本不变,而过渡直径的油滴(2～4μm)分离效率先降低后增高。3.随着轴向间隙高度差和径向密封齿相对啮合深度的增大,油气分离效率增高。4.随着径向密封齿形角的增大,油气分离效率先降低后升高,齿形角为80°时,分离效率最低。5.油滴直径越大,密封间隙变化对油气分离效率的影响越小。