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。

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。

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.

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.

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。

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。

大颗粒气力输运的CFD与EDEM耦合计算方法

为掌握冰雹颗粒抛射运动过程规律,以支撑冰雹抛射装置设计,需进行冰雹颗粒气力输运过程计算。通过计算流体力学与离散单元法双向耦合进行冰雹等大颗粒气力输运问题的模拟仿真。通过进行不同气源压力、不同抛射管径、不同抛射管长、不同冰雹流量条件下的计算及对比,得到随着气源压力的增大,冰雹抛射速度逐渐增大,气流流量逐渐增大;随着抛射管径的增大,冰雹速度逐渐增大,气流流量平方级增长;随着抛射管长的增大,冰雹速度基本保持不变,气流流量略有减小;随着冰雹流量的增大,冰雹速度逐渐减小,气流流量逐渐减小。

基于DEM-MFBD-CFD方法的冰雪飞溅击打应答器力学研究

严寒地区冰雪飞溅问题对高速铁路运营安全性有直接影响,现场调研发现多处冰块脱落击打应答器的现象,而国内外对此研究尚未见文献报道。采用基于离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(discrete element method-multi flexible body dynamics-computational fluid dynamics, DEM-MFBD-CFD)耦合分析法,建立车厢底板结冰脱落击打应答器模型,并借助风洞和现场试验结果,验证了模型的可靠性;基于建立的分析模型研究不同列车速度、风压变化、冰块质量等因素对应答器击打的受力影响。结果表明:应答器受到的最大应力随列车运行速度呈现幂函数增长关系,当行车速度增大到350 km/h时,最大应力达15.591 MPa,约为150 km/h时的3.5倍;且随冰块质量增加应答器最大应力呈现先迅速增加后缓慢增长趋势;当横风风速为5~20 m/s作用时,应答器表面所受到的最大应力相差不大,表明横风对冰雪击打应答器作用可忽略不计;为减小冰雪飞溅击打应答器危害,可采取除融雪手段、列车降速等措施。

基于CFD-DEM的流态化速冻影响因素研究

利用Fluent多孔介质理论建立了速冻流化床等效流域模型;以表观气速、入口温度、脉动频率为试验因素,根据CFD-DEM数值模拟方法对典型颗粒形状物料的流态化和冻结进行单因素试验分析,探究了各试验因素对物料冻结的影响规律;基于单因素试验结果,以平均降温速率为评价指标,进行三因素、四水平的正交试验,试验结果表明,在进风量一定的情况下,影响程度由强到弱依次为入口温度、脉动频率、表观气速。以期分析结果对脉冲气流式速冻工程实践具有一定的参考作用。

基于解析法CFD−DEM的烧结矿立式固定床气固接触特性

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技术获得颗粒表面的流场信息.结果表明,双粒径均匀混合料床的平均空隙率主要取决于小粒径颗粒,大粒径颗粒主要影响料床的大空隙结构及分布.“A型”偏析(中心区域堆积小粒径颗粒,近壁面区域堆积大粒径颗粒)料床压降显著低于均匀混合料床,但颗粒与气体接触不充分;“B型”偏析(偏析方式与“A型”相反)料床兼顾了低压降和气固充分接触的特点.料床实验压降与模拟压降随气体表观流速的变化趋势保持一致,验证了解析CFD−DEM方法的准确性.

二维导流管喷动床离散颗粒动力学模拟

采用离散单元法(DEM)-计算流体力学(CFD)双向耦合数值方法对二维导流管喷动床进行了模拟,颗粒的运动通过DEM模型描述,而气体的运动用Navier-Stokes方程进行求解,气体和固体颗粒之间的相互作用通过曳力形式传递。文中将DEM和边界元方法(BEM)结合起来解决颗粒在具有复杂边界设备内的运动。通过采用BEM+DEM-CFD相结合的方法进行模拟计算,得到了喷动床的最小喷动速度,研究了不同表观气速下床内的流型,得到了二维导流管喷动床的床层压降与表观气速的关系,统计分析了喷射区、环隙区内颗粒的运动速度和相应的空隙率,全面地描述了二维导流管喷动床内的气固流动特征。

基于FLUENT软件信息传递模式的离散颗粒流动的并行算法

基于FLUENT软件信息传递模式的MPICH2并行计算平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数(User-Defined Function)文件发展了一种非结构网格下拟三维颗粒的CFD-DEM耦合并行算法,该算法具有随CPU核数增加的较佳扩展性和加速性能。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,气相控制方程的求解稳定性与收敛性明显改善。FLUENT软件和UDF文件分别实现了气相控制方程的并行求解和DEM并行算法,其中DEM并行算法中相邻子域间的颗粒信息传递由MPICH2平台的信息传递宏完成。将该算法应用于球形颗粒鼓泡床及锥型喷动床的气固两相流数值模拟中,数值模拟结果与有关试验结果吻合良好,表明该算法能较好地处理稠密颗粒气固两相流动。

弯管稀相气力输送CFD-DEM法数值模拟

利用CFD-DEM方法对稀相气固两相流在带有弯管的气力输送管道内的流动特性数值模拟。通过CFD求解连续气相流场,使用DEM求解离散颗粒相运动及受力,为提高仿真速度,模型忽略了空隙度对气相的影响。仿真结果显示了颗粒在弯管内形成颗粒绳及在垂直管道内颗粒绳分散的过程,并获取了颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞信息。对比弯管上下两部分的碰撞情况,颗粒及壁面在弯管下半部分受到的撞击和磨损更严重。通过对气力输送各类工作参数的研究发现,其对管道内气固两相流的流动特性和碰撞情况有着不同程度的影响。气流速度对颗粒绳分散影响甚微,但对弯管内颗粒碰撞强度有明显影响。随着颗粒质量流量的增加,形成的颗粒绳更紧凑、分散速度更慢,并在弯管中形成了阻碍颗粒-壁面碰撞的防护层。弯径比的增加也能加强颗粒绳的紧凑度,减缓颗粒绳的分散速度。

coarse-grained CFD-DEM方法在不同流态流化床中的模拟验证

传统CFD-DEM方法的计算量随着系统内颗粒数目的增加而显著增加,coarse-grained CFD-DEM(粗颗粒)方法将若干个真实颗粒打包成虚拟颗粒从而显著减小系统计算量。在coarse-grained CFD-DEM方法进行应用之前,对其进行广泛的验证是有必要的。采用coarse-grained CFD-DEM方法模拟得到不同流态流化床的气固流动特征(固含率、压降、颗粒速度等),与传统CFD-DEM和实验测量吻合较好。另外,系统的计算效率随着粗颗粒放大系数的增加显著提升。研究表明,粗颗粒方法能够以较小的计算精度损失而使计算速度大幅提升,能够适用于大尺度稠密气固流动系统的模拟。

基于CFD-DEM耦合的螺旋桨-碎冰-水相互作用的数值模拟

为了研究螺旋桨在碎冰环境下的性能变化,采用CFD-DEM耦合分析方法开展了螺旋桨-碎冰-水混合环境下的数值模拟。分析了单项耦合设置和双向耦合设置时碎冰内不同DEM粒子数量对螺旋桨水动力性能、桨叶接触力、桨叶接触碎冰数量以及求解器CPU时间的影响。在获得最优碎冰内DEM粒子数量的基础上分析了单项耦合设置和双向耦合设置之间的差异。计算结果表明:在CFD-DEM耦合运算中,合理地设置碎冰内DEM粒子数量对降低数值模拟的计算成本至关重要;单向耦合设置可作为碎冰内DEM粒子数量选择的方法之一;双向耦合设置能够很好地模拟碎冰在螺旋桨抽吸作用下的运动,在数值模拟过程中应采用双相耦合设置;CFD-DEM耦合分析方法可以为进一步研究螺旋桨-冰相互作用过程中结构强度问题以及水动力特性提供非常有效的研究手段。

基于CFD-DEM耦合的径向移动床反应器数值模拟

针对径向移动床反应器内颗粒及流体分布不均的问题,采用计算流体力学(CFD)-离散单元法(DEM)耦合的方法,对6种不同开口面积和分布形式的中心管的移动床反应器内的颗粒与流体的运动行为进行数值模拟,分析反应器内部气体流场特性及颗粒运动特性的变化.结果表明,开孔面积与进口面积的适宜比例为0.8～1.12,最优比为0.96；改变中心管两端开孔的分布能使流场均布,避免端效应的产生.

基于CFD-DEM法的矩形喷动床与柱锥形喷动床颗粒喷动特性模拟

为进一步了解矩形喷动床的优缺点,采用离散元气固耦合法(CFD-DEM)对矩形喷动床中小麦颗粒的喷动特性及混合过程进行数值模拟,并通过分析单颗粒循环时间、混合指数、床层压降、颗粒速度等与传统柱锥形喷动床进行对比.结果表明:u s=1.1 u ms时,矩形喷动床的平均单颗粒循环时间为1.9 s,柱锥形喷动床的单颗粒循环时间为1.7 s,相差较小.两种喷动床的颗粒混合时间均为2.8 s.相比柱锥形喷动床,矩形喷动床内的压力略大,尤其在喷动床棱角处气体压力较大,从而导致矩形喷动床在棱角处的颗粒运动随机性较差.因此,矩形喷动床与柱锥形喷动床的喷动特性总体上具有较好的一致性,但矩形喷动床在结构设计时要尽可能改善棱角处颗粒运动问题.

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD–DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象,由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用,使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此,介绍一种基于计算流体力学方法(CFD)与离散单元法(DEM)的流固耦合模型CFD–DEM,采用计算流体力学方法(CFD)求解水体流动,采用离散单元法(DEM)模拟散粒体滑坡运动,充分利用不同计算模型的优势,对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先,利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算,从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比,结果表明模拟结果与试验结果吻合很好,验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后,将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析,重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程,计算结果显示:计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近;色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s,颗粒平均速度最大达到16.12 m/s;滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸,之后开始沿坡面向上爬升,最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害,可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。