宽筛分流化床气固两相流动结构离散颗粒模型

建立了适合描述宽筛分流化床气 固两相流动结构的离散颗粒模型。颗粒的运动满足牛顿第二定律 ,流体相的运动规律由局部平均的纳维 斯托克斯方程求解 ,两相间的耦合由牛顿第三定律决定。对宽筛分流化床中气泡的形成、颗粒的流化过程进行了数值模拟 ,结果与实验现象相符合 ;模拟结果还发现单颗粒的运动速度表现出不可预测特性 ,颗粒的总体速度不完全满足正态分布。

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。

基于颗粒尺度的离散颗粒传热模型

颗粒间传热在诸多工业过程中有着十分重要的作用。详细考虑颗粒间传热机理,对颗粒间各传热途径建模,包括颗粒内部导热、颗粒粗糙表面传热、颗粒表面气膜及接触颗粒间隙气膜传热,并与离散颗粒模型(DEM)耦合,建立颗粒尺度下离散颗粒传热模型。以固定床为对象,考察颗粒粒径、颗粒比热容、颗粒热导率及压缩负载对固定床有效传热系数的影响,并将本文计算值和文献的实验值及模型预测值对比,结果表明,该模型可定量预测固定床有效传热系数。本文建立的离散颗粒传热模型为合理预测颗粒体系内的传热提供了一种有效方法。

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型,数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度(SGS)模型模拟气体湍流,建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度,而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域,小颗粒轴向速度分布出现3个峰值,对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大,颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响,颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。

离散颗粒多尺度分级模型与破碎模拟

在所建议传统离散颗粒模型基础上引入了多尺度分级模型,定义了不同尺度的基本颗粒和颗粒簇模拟颗粒破碎现象.在统计断裂力学W e ibu ll分布公式基础上利用名义应力给出了多尺度分级模型意义下颗粒破碎概率;结合颗粒簇的解簇模型建议了一个可模拟颗粒破碎的多尺度分级离散颗粒模型.数值例题初步显示了所建议模型模拟颗粒破碎现象的有效性.并利用所提出的名义有效应变和名义体积应变显示了颗粒破碎过程对颗粒材料结构物变形的影响.

颗粒材料的离散颗粒及间隙水渗流模型与数值模拟

基于离散颗粒模型的含间隙水颗粒材料液–固耦合分析,发展了Darcy渗流模型。应用特征线SPH方法求解液相,建立饱和与非饱和颗粒材料渗流模型的数值模型。数值例题给出饱和颗粒材料结构物在位移加载条件下的破坏模式及间隙水Darcy速度与水压力分布,并进一步模拟降雨条件下非饱和颗粒材料结构物的瞬态渗流过程,显示该模型模拟含间隙水颗粒材料结构物液–固耦合及变形的良好性能。

基于三维晶格离散颗粒模型的混凝土反复拉压本构关系模型

为了将三维晶格离散颗粒模型用于模拟混凝土构件在反复荷载下的受力性能,本文建立了混凝土的加卸载应力-应变关系模型.受拉模型中单调加载作用下的本构关系根据有效应力和有效应变确定,反复荷载作用下的加卸载准则依据正应力-应变及剪应力-应变的关系分别建立,保证混凝土的应力-应变关系曲线从受拉状态转变到受压状态时的平滑过渡.在受拉加卸载准则中分别采用材料参数k_(t)控制混凝土的刚度衰减及残余塑性应变;在受压加卸载准则中通过卸载刚度E_(d)和材料参数k_(c)分别控制加卸载刚度和能量耗散.将本构关系模型嵌入到有限元分析软件中对混凝土构件在反复拉压、静水压力以及反复受压条件下的力学性能进行了数值模拟分析.分析结果表明,本文建立的本构关系模型能有效地模拟混凝土在不同受力条件下的应力-应变关系,预测残余应变,获得加卸载过程中的能量耗散.

模拟风沙运动的离散颗粒动力学模型

根据风沙运动的特点 ,建立了基于单沙粒动力学的离散颗粒动力学模型。依据该模型 ,模拟了 90 0 0个沙粒在风力作用下由静止不动到充分发展的稳定态的全过程 ,细致研究了沙床处于稳定态时床面形态、跃移轨迹以及跃移质 蠕移质间交换规律 ,所得结果有助于理解风沙运动的内部机理 ,这是目前常用的模型所做不到的。研究表明 :离散颗粒动力学模型能够真实的模拟风沙运动现象 ,研究范围涉及风沙运动规律和床面形态的发生与发展等关键的问题 ,因而比其它模型更具优势。

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律.数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述.给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率.数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.

土壤颗粒结构的分形模型及其渗透性

基于离散颗粒模型的颗粒材料数值模拟结果与颗粒细观结构及颗粒样本的形成历史密切相关,近年来颗粒材料结构与样本生成技术日益得到重视。考虑到分形在分析和刻画岩土介质多孔结构特征的优势,在模拟土壤颗粒结构的一般性Pore-Solid Fractal模型（PSF）基础上,形成了一种适应于离散颗粒模型数值模拟的修正PSF模型。分析了该模型生成的颗粒结构的孔隙及孔隙—颗粒接触面的性质,并进一步基于Kozeny-Carmen公式给出了其渗透系数计算公式。

通道层流场中单颗粒惯性横向迁移的数值研究

为研究通道层流场中单颗粒惯性横向迁移规律,以圆管和方管为例,对层流场中性单颗粒惯性横向迁移现象开展数值模拟研究。将颗粒放在圆管和方管进口截面的若干位置并释放,采用离散颗粒模型,计算粒径d=0.8、1.0、1.2 mm的3种球形颗粒在雷诺数Re=100、125、150条件下,由不同初始位置释放后在流场中的迁移轨迹及横向迁移后所达到的平衡位置。结果表明,对于圆管,颗粒在初始半径分别为0.7R与0.8R(R为圆管半径)处释放时,惯性迁移的平衡位置均在0.6R附近;随着粒径增加,颗粒迁移的平衡位置向管道轴心偏移;随着Re的增加,颗粒迁移的平衡位置向管壁方向偏移。对于方管,颗粒的初始释放位置设定在z0=0.22L与0.33L(L为方管截面边长)处,当颗粒释放位置越靠近通道轴心时,颗粒的横向迁移距离就越短;随着Re的增加,颗粒的平衡位置会更加偏向通道中心;相对于大颗粒,小颗粒的平衡位置更靠近壁面。

凹凸酒窝表面换热管道内颗粒沉积与传热特性的数值模拟研究

颗粒物在换热通道内的沉积会显著降低换热效率。为了提高换热器的性能,更好地理解颗粒物在换热通道中的沉积特性对于提高换热器性能至关重要。利用雷诺应力模型(RSM)和离散颗粒模型(DPM)对三维凹凸酒窝通道中颗粒的沉积特性进行了模拟。在网格无关性测试和数值验证之后,对凹凸酒窝通道中的流动结构、二次流、温度分布和颗粒沉积分布进行了分析和研究。研究结果表明,影响颗粒在凹凸酒窝通道中沉积特性的主要机制是重力、热泳力、湍流结构、二次流和颗粒惯性,这些机制的影响随颗粒大小的变化而显著改变。对于小颗粒(d_(p)≤10μm),凹凸酒窝结构的存在会促进沉积;但对于大颗粒(d_(p)>10μm),凹凸酒窝结构的存在只会对颗粒沉积位置的分布产生很小的影响。

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。

新型旋风分离器内颗粒的运动规律

分离效率是判定旋风分离器性能优劣最直接的一个参数,而分离效率的高低微观上由旋风分离器内颗粒的运动规律决定。采用离散颗粒模型研究了新型旋风分离器内颗粒的运动规律并估算了分离效率,结果发现:颗粒从入口不同区域进入该旋风分离器分离空间时有不同的运动轨迹,入口大致可划分为3个区域;被入口导流板碰撞分离的颗粒在发生二次分离时被再次捕集的可能性很大;分离效率实验值和模拟估算值变化趋势一致,但模拟估算值高于实验值。

基于Level Set方法的气-液-固三相流动模型与模拟

采用基于Level Set方法与离散颗粒模型相结合的方法,建立了一个用于描述气液固三相流动的新模型。模型耦合了颗粒与气泡、颗粒与液相以及气泡与液相之间的相互作用。应用该模型对液固悬浮液中的典型现象——气泡的单孔及多孔形成过程以及颗粒夹带现象进行了三维模拟,检验了其可行性。并进一步研究了颗粒的存在对气泡的形成与上升过程的影响以及气泡诱导的液相流动对颗粒行为的影响。研究结果表明,所提出的模型能够真实地预测三相流中气泡与颗粒分散相的特征,为研究多尺度的三相流动提供了一种新途径。

气固两相流模型及细粒煤振动流化床的模拟应用

为深入认识振动流化床床层微观结构,模拟、预测和优化控制气固两相流动和传热行为,基于对床层时空多尺度不均匀结构特性的分析,全面综述和分析了振动流化床模拟广泛采用的气固两相流模型的类型、特点、优缺点及应用现状,并对未来发展进行了展望。结果表明:拟流体模型模拟结果接近于工程实际,离散颗粒模型能跟踪颗粒运动轨迹,拟颗粒模型能揭示床层非均匀结构和求解复杂流场问题,无统一的模型全面描述气固两相流动;双流体模型和离散颗粒模型能较好地模拟床层空隙率、固体颗粒浓度和速度、颗粒分布均匀性和气压稳定性,模型和参数的选择非常关键,基本方程的求解有难度,与工程实际还有差距;引入非线性理论表征多流态流型与床层不均匀结构,研究振动流化床能量传播行为和离析混合模式控制机制是未来的发展方向。

大颗粒流化床内压力波动现象的仿真研究

应用离散颗粒模型对大颗粒气固两相流化床系统进行了仿真研究 ,在完全流态化条件下对压力波动现象进行数值模拟。结果表明 ,压力波动的范围和频率与流化床内两相运动状态密切相关。随着床内颗粒相湍动的加剧 ,压力波动不断加剧 ,床内压降随表观气流速度的增加略有减少。

细长颗粒流化运动的数值分析

为了研究秸秆类颗粒的流化运动特性,针对细长颗粒的形状特征,将细长颗粒沿长度方向上离散化后分别计算各离散段在气流场中的受力,从而建立细长颗粒的运动数学模型;利用碰撞模型来处理颗粒与墙壁之间的碰撞;采用欧拉-拉格朗日方法计算追踪气流场中颗粒的运动,模拟了细长颗粒在气相场中的运动特征,发现颗粒在运动过程中的空间倾角存在明显的取向性,且与实验结果相符.还讨论了影响细长颗粒计算稳定性和精度的几个关键因素,结果发现,细长颗粒作离散化处理后,对长度方向上的气流场速度分布比较敏感,因此,为了保证计算精度,在进行气相场网格划分时对网格尺度要求很高,同时细长颗粒离散程度对计算精度也有很大影响.

DSMC-LES方法数值模拟鼓泡流化床内气泡和颗粒流动行为

基于稠密气体分子动力学和气固两相流体动力学，建立流化床稠密气固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型，采用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）模拟颗粒间的碰撞，采用考虑颗粒脉动流动对气相湍流流动影响的大涡模拟（LES）研究气相湍流，单颗粒运动满足牛顿第二定律，颗粒相和气相相间作用的双向耦合由牛顿第三定律确定。数值模拟流化床中颗粒流动以及气泡的生成、长大和破碎过程，获得颗粒轴向和径向速度的概率密度分布，及颗粒浓度分布。计算结果表明床内气泡的形成造成床内颗粒的循环，使得流化床内颗粒具有不同的轴向和径向脉动速度，颗粒分速度分布近似服从高斯分布。颗粒温度随颗粒浓度增加，达到最大值后，随颗粒浓度增大而下降。流化床颗粒浓度脉动主要是低频部分，高频分量较低，表明在流化床内颗粒浓度脉动频率低，能量高，颗粒浓度脉动主频率为0．04～1．0Hz，其值与Pain et al．获得的颗粒浓度脉动主频率基本吻合。

偏心率对颗粒介质次生各向异性的影响

颗粒介质的细观组构各向异性与宏观力学特性有密切的跨尺度联系,而颗粒形态特征对其组构各向异性的演化又起着重要的作用。除了颗粒的球度、棱角度、粗糙度以外,作者关注到颗粒形态特征中的偏心也是一个重要的影响因素,而至今很少有关于它的研究。本文采用所在团队自编的非球离散元程序SudoDEM构建了基于扩展超级椭球的偏心颗粒模型,开展了不同偏心颗粒的真三轴剪切模拟,探究偏心率对颗粒介质次生各向异性的影响,进而揭示颗粒介质宏观力学响应的细观机理。结果表明:细观组构各向异性随偏心率增大呈不同程度发展,共同承担着宏观抗剪强度的提升,同时配位数更大,滑动接触比例更高,接触力网格不均匀性也愈明显,这主要因为颗粒偏心增强了颗粒间的互锁咬合;法向接触力在次生各向异性中权重最大,法向支向量各向异性可忽略不计,切向接触力与切向支向量的各向异性受颗粒偏心影响较为敏感,在偏心颗粒试样中对强度贡献不可忽略;因偏心率而提高的弱接触、滑动接触比例间接导致了法向接触力各向异性向切向接触力各向异性转化。