基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

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。

基于计算流体力学与离散单元法并行计算的煤层气井大粒径岩屑运动规律初探

在计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合并行计算的基础上,对大粒径、非球体岩屑在煤层气井"扩径"井段的沉积及运移规律进行了数值模拟。利用FLUENT建立了井眼交汇处"扩径"井段计算模型。利用DEM软件建立大粒径岩屑颗粒的离散元模型。借助集群并行计算优势,首先通过与实验数据的对比证实该CFD-DEM耦合模型的计算精确性、可用性;随后,基于钻井现场岩屑颗粒的采样及对其粒径、形状统计,将岩屑颗粒简化为片状进行计算。对不同粒径岩屑在"扩径"井段的运移及沉积过程进行了模拟再现,量化了粒径对岩屑在该区域的运移能力的影响。研究发现,在通过"扩径"区域时绝大部分的岩屑颗粒将沉积,体现了"扩径"段对大颗粒岩屑的"收纳"作用;岩屑粒径对运移能力有关键影响,粒径岩屑的增加造成其运移能力的指数形式衰减;而钻井液排量的增加对提升携岩能力效果不够明显。分析结果对地下钻井工程具有实际参考意义。

规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学

针对M ellapak 350Y型规整填料特征单元内的流动及混合现象,利用计算流体力学的方法模拟了单元内的液相单相流流动,并结合脉冲示踪法研究其混合行为,考察了不同流速下特征单元的返混程度.同时建立了相应的实验装置,在室温下以甘油水溶液(质量分数为6500/)为测试液体,利用激光多普勒测速仪对不同流速下,规整填料中特征单元内的液相流场进行了测量并与模拟结果进行了对比.计算与实验结果的速度分布趋势及其数值大小基本一致.

“跨学科教学视角+离散单元法综合实训”的非计算机学科本科生编程计算能力培养

针对省属高校新工科建设由于办学资源等因素制约而不宜套用部属及双一流高校路径的问题,在问卷调查分析理工科本科生计算编程能力状况的基础上,提出微调培养方案,通过增设跨学科综合实训体系推动新工科建设。以融合多学科知识的离散单元法综合实训为例,探讨其对理工科专业的综合性及普适性,介绍构建综合实训的教学框架的方法,并从跨学科知识学习、编程逻辑与方法、心理建设等方面阐述如何培养非计算机学科本科生编程计算能力的多维途径,通过介绍初步实践过程说明教学效果达到预期目标。

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法.基于计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律.对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征.结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析.以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究.结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.

岩石力学离散单元计算方法中的若干问题探讨

对节理岩体中以离散的块体单元为计算模型的离散单元计算方法中的一些常遇到的问题和难点,进行了较深入的讨论,主要涉及到离散单元计算方法的各种算法及特点、块体的变形问题和块体之间的叠合、方程求解问题特别是单个块体求解与整体方程求解的内在关系、接触检索问题包括三维块体的接触检索等方面,指出了一些问题上的不足,提出了建议,并得到了一些有益的结论。

基于流体动力学-离散单元耦合算法的海底滑坡动力学分析

采用计算流体动力学(CFD)和离散单元法(DEM)建立描述水与颗粒相互作用的耦合算法,用以分析海底滑坡的动力学特性。通过颗粒堆积体坍塌试验验证了模型的有效性。模拟分析了不同初始高宽比的水下坍塌过程,并与空气中的坍塌过程进行详细对比。研究表明:该耦合算法可以较好地描述海底边坡的失稳、流动、堆积过程;水下滑坡体与水体会发生复杂的相互作用,在颗粒由垂直下落转为水平流出时,会在水中形成涡旋;在高宽比较大的情形下,水中涡旋会明显改变颗粒最终堆积的表面形态;水中滑坡的移动距离较小、堆积厚度较大、表面松散介质易受水流影响。

离散单元法的计算参数和求解方法选择

本文对离散单元法的一些基本问题进行了研究，给出了刚度计算公式，提出了两种新的用于求解静态问题的自适应阻尼，并以自由落体运动为例，探讨了中心差分法、Ｗｉｌｓｏｎθ法和Ｎｅｗｍａｒｋ法对离散单元法解的影响。

用离散单元划分法计算页岩气资源量

针对页岩气聚集机理的特殊性和我国页岩气评价的基础条件,提出了采用离散单元划分法计算页岩气资源量。根据页岩含气量的非均质性特点,借鉴有限元原理,将评价地质单元中连续分布的页岩气资源进行有限数目的单元离散;根据页岩气不具有顺层流动性的特点,以含气量资料井为中心,采用井控分块、单元划分、参数类比、离散累加的原则和方法计算页岩气资源量。该方法应用在鄂尔多斯盆地下寺湾区页岩气资源量计算中,效果良好,表明离散单元划分法可应用于页岩气勘探开发各阶段,在页岩气滚动评价中具有较大的推广应用前景。

基于CFD-DEM的双流体喷嘴颗粒物去除特性及效率优化研究

雾化除尘技术是有效防治大气灾害的重要手段,对于城市、矿山等场所的降尘具有重要意义。双流体雾化喷嘴基于其良好的雾化表现,成为雾化除尘领域的热门研究对象。雾化后雾滴与烟尘颗粒的粘附与沉降过程是双流体喷嘴颗粒物去除的重要步骤。因此,揭示雾滴与烟尘颗粒的粘附与沉降特性对于提升双流体喷嘴颗粒物去除效率具有重要意义,需进一步深入研究。本文基于计算流体力学与离散单元耦合法(CFD-DEM),通过3D设计软件和离散元仿真软件ANSYS、EDEM对双流体喷嘴进行耦合数值模拟仿真,研究颗粒之间的相撞粘附与沉降,得到了不同气液压力比、不同雾滴粒径下雾滴颗粒的速度分布规律,并利用正交数值模拟方法对双流体雾化喷嘴颗粒物去除效率进行研究,得到了各运行参数对颗粒物去除效率的影响规律。结果表明,随着气液压力比的增大,雾滴颗粒最大速度呈增大趋势;雾滴颗粒粒径越小,雾滴颗粒最大速度越大,且加速至最大速度的时间越短;通过极差分析可知,运行参数中对颗粒物去除效率影响因素从大到小依次是雾滴粒径B、气液压力比A、烟尘颗粒粒径D、烟尘颗粒速度C,其最优水平组合为A_(3)B_(1)C_(3)D_(1)。该研究可为双流体雾化喷嘴的颗粒物去除特性研究提供一定的参考。

流体数值计算中的边界单元法

本文较详细地介绍了边界单元法的基本原理及其在势流、地下水渗流、传热、传质、波动、流体和弹性体的动力相互作用、粘性流动和分离流等流体力学问题数值计算中的应用和新进展。並对解决具体问题时所使用的各种计算方法之优缺点进行了讨论和分析.最后简述了边界单元法中一些共同的计算问题、方法本身目前所存在的不足以及为克服这些问题现今所作的研究和取得的进展。

基于能量守恒的球单元离散元法向接触力计算方法

接触力计算模型是DEM的重要环节,现有的法向接触力计算模型中,对延性材料的模拟结果较好,但对脆性材料误差较大。经典离散元理论中的Cundall系列模型并未考虑单元形状对接触力的影响,Hertz模型虽计算结果较为准确,但条件要求严苛,很难直接推广至其他形状。本文建立了一种基于能量守恒的法向接触力计算模型—体积模型,以势能函数为基础,推导出球形单元法向接触力的计算公式;同时独立开发完整的离散元算法程序框架,将模型嵌入到离散元程序中;设计混凝土球形颗粒试验,将试验结果与模拟结果对比,结果表明体积模型在脆性材料的法向接触力计算中有更高精度。

离散单元法及其在流态化领域的应用

经过三十余年的发展,离散单元法(discrete element method,DEM)已经发展成为一种广泛应用于过程工程领域中颗粒体系研究的数值方法,特别是将DEM与计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)相结合形成的CFD-DEM耦合方法,已经在流态化研究领域得到广泛应用。首先对DEM模型进行了综述,包括DEM模型的基本原理、颗粒形状模型、接触力模型、非接触力模型、流体作用力模型等;然后对CFD-DEM耦合方法及其在流态化领域的一些主要应用进行了介绍,包括在流化床、气力输送以及过程工程领域里的一些其他应用。最后对DEM模型以及CFD-DEM耦合方法的发展趋势进行了预测,希望能促进DEM方法的发展,并推动其在过程工程领域中的应用。

基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟

基于FLUENT软件的MPI平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数文件实现了CFD-DEM耦合并行算法.该并行算法具有随CPU核数增加的较佳扩展性能和良好加速性能.通过构建空隙率标量场、重组基于局部平均并考虑气-固相互作用的气相控制方程,提高了气相控制方程的求解稳定性与收敛性;通过软球模型确定颗粒-颗粒及颗粒-壁面间的相互作用,以曳力模型为基础建立了相间相互作用关系.将该CFD-DEM耦合并行模型应用于锥形喷动床气固两相流动的数值模拟中,结果表明:该CFD-DEM耦合并行模型能较好地模拟锥形喷动床内气固流动行为;锥形喷动床内的颗粒流动经历了鼓泡阶段和稳定流态化阶段;在稳定流态化阶段,物料流动具有明显的周期性.基于锥形喷动床内颗粒相的瞬时速度场,获得了稳定流态化阶段颗粒的时均速度分布规律.

离散单元法在钢筋混凝土构件非线性分析的应用

目的为了研究钢筋混凝土结构在地震作用下的力学性能,建立了钢筋混凝土杆件的杆段多弹簧模型.方法将离散单元法应用于钢筋混凝土构件的非线性分析.结果编制了钢筋混凝土柱的非线性分析程序,对单调与往复水平加载下的钢筋混凝土悬臂柱进行分析研究,计算结果与有限单元法相近,可较好地把握柱的滞回性能.结论运用本文模型将离散单元法应用于钢筋混凝土构件非线性分析具有交好的精度,是可行的.拓展了离散单元法的应用范围.

离散单元法中数值求解方法的改进

对离散单元法中的数值求解提出采用同步动态松弛法,以避免动态松弛法由于路径相关性所造成的算法误差.数值计算结果表明,同步动态松弛法简单、有效,且计算较为稳定,精度较高,并可使计算时步取得稍大一些,从而较大地加快了离散单元法的计算速度.

离散单元法的基本原理、方法及应用

本文介绍了离散单元法的基本原理及其基本解法。该法可用于研究边坡失稳、围岩稳定等不连续介质的大位移问题。采用动态松驰法求解,离散元能够模拟出结构的失稳、凿道爆破的动态过程。编制了计算程序并计算了"边坡"失稳定的全过程,计算结果与相应试验相吻合。

用离散单元法模拟动筛跳汰过程的研究

采用岩土工程中发展起来的离散单元法对动筛跳汰过程进行模拟研究，并用现有成熟理论和专门物理模型对所建立的模拟模型进行了验证和确认。模拟结果表明，颗粒之间的力是通过碰撞而产生的，并贯穿整个动筛跳汰过程；不同性质的颗粒相对运动的结果导致床层的分层。模拟模型既体现了“确定派”跳汰理论的基本思想，又兼顾了“粒群—统计派”跳汰理论的特点，所以模拟结果比较客观地体现了实际动筛跳汰过程。

离散单元法在矿物工程中的应用

离散单元法自提出至今20多年来在岩石力学等领域得到长足发展，成为解决离散的、非连续介质岩土工程问题的一种重要数值方法。通过对离散单元法的基本原理和数值方法进行系统研究，可以看出，矿物工程中的许多过程都可以用离散单元法的观点和方法进行分析。作者曾首次用离散单元法对动筛跳汰过程进行模拟研究，并成功的实现了动筛跳汰过程的动态模拟。值得一提的是，近两届国际选矿会议均有国外学者介绍利用离散单元法模拟矿物加工过程的论文。为了使更多的人了解离散单元法的原理和特点，拓宽离散单元法的应用领域，在此，作者把离散单元法在矿物工程中的应用情况作一归纳。