颗粒间碰撞对槽道湍流中颗粒聚集效应的影响研究

颗粒两相湍流广泛存在于自然现象和工业流动中,与人们的生活和生产活动息息相关.通常情况下,当颗粒的体积分数小于O(10^(-4))时,颗粒间的碰撞效应被忽略.一些研究发现,在颗粒两相壁湍流中,即使在低体积分数情况下,由于湍泳和倾向性聚集会导致颗粒局部浓度较高,颗粒间的碰撞频繁发生.然而,已有结果大多针对均匀各向同性湍流或采用大涡模拟的研究手段,尚缺少关于颗粒两相槽道湍流的直接数值模拟研究,颗粒间碰撞对颗粒聚集程度和形态影响的定量规律仍不清楚.文章基于欧拉-拉格朗日点颗粒框架,在摩擦雷诺数为Re_(τ)=180的条件下,采用直接数值模拟探讨了有/无颗粒间碰撞时水平槽道湍流中双分散颗粒聚集模式的差异.算例的颗粒平均质量分数为Φm~O(1),因此模型中还考虑了颗粒对流场的反馈作用.研究发现,颗粒间碰撞驱使近壁颗粒向槽道中心迁移,导致颗粒平均浓度的壁法向廓线变得十分平坦,抑制了壁湍流中颗粒的湍泳现象.同时,颗粒间碰撞导致颗粒在与壁面平行的水平薄层内更加均匀地分布.特别是在黏性底层内,各向异性的颗粒条带结构完全消失.这些结果表明,颗粒间碰撞显著抑制了水平槽道湍流中颗粒的湍泳和近壁区的倾向性聚集现象.

稠密气固流动中颗粒聚集现象的数值模拟

基于确定性轨道和真实碰撞,对二维稠密气固两相流动进行了数值模拟,真实展现了颗粒聚集现象从无到有的发展过程.在此基础上,对颗粒聚集现象影响因素的作用规律进行了研究.结果表明,颗粒间的相互碰撞是造成颗粒聚集的重要原因,即使在初始颗粒体积分数低至0.24%的情况下,仍然有显著的颗粒碰撞发生和聚集出现.颗粒弹性恢复系数越小、颗粒初始体积分数越大,则颗粒聚集现象越明显.这与已有的一些实验和数值计算结果是一致的.

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合影响的数值模拟

在自主研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型，针对一个假设的实验室尺度且位于非饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置模型，拟定两种计算工况：（1）孔隙率和渗透系数是压力溶解的函数；（2）孔隙率和渗透系数均为常数，进行4a处置时段的数值模拟，考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明：工况1计算终了时，压力溶解使得孔隙率和渗透系数分别下降到初始值的43％-54％、4．4％～9．1％。在核废料释热温度场的作用下，工况1、2中的负孔隙水压力分别为初始值的1．00～1．25倍、1．00～1．10倍，前者表现了压力溶解的明显影响；两种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示:弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场(孔隙水压力及流速)和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。

稠密气固流动中颗粒聚集的定量评价

本文提出了定量评价稠密两相流动中颗粒聚集现象的参数和方法:用碰撞频率的大小估计颗粒聚集的强弱;用颗粒体积分数的标准偏差评价流场中颗粒分布的不均匀程度;用颗粒分布的相关系数衡量流动的相似性;用颗粒体积分数的概率分布和颗粒分布曲线描述流场细节;用高密集区域颗粒数目比例和稀疏区域面积比例来反映流场的特征部分。

存在边界流时压力溶解对颗粒聚集岩体中THM耦合作用的有限元模拟

在孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入颗粒聚集体的压力溶解模型,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库,拟定2种计算工况即边界上水压力相同(工况1)和左、右边界上水压力有较大的差别(工况2),进行4 a处置时段的数值模拟,考察岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明:与工况1相比,工况2的计算域中有较大的地下水流速(稳态流量Qss),可促进颗粒介质的溶解、迁移和沉淀,使得孔隙率和渗透系数加快下降,从而对渗流场(孔隙水的压力及流速)和应力场产生显著的影响。

微通道内非对称诱导电渗流与定比例颗粒聚集

针对生化检测仪器传统样品处理过程中的耗量大、时间长等问题,设计了基于诱导电渗的微流控芯片,利用微通道内的非对称电渗漩涡实现宽、窄电极上浓度成比例的颗粒聚集。采用COMSOL求解非对称漩涡的流动特性与颗粒的受力,提出了适宜颗粒聚集的理想滑移速度轮廓。通过研究主要参数对滑移轮廓的影响,预测了芯片的工作区间。实验证明:在此区间内,颗粒聚集比例与电极宽度比一致,且响应快速,易于调控,可进一步生成多级浓度颗粒流。

浮选过程中颗粒聚集中的空化作用

这篇论文回顾了最近发展的浮选设备的基本原理。提出了借助空穴气核来捕收颗粒的机理，理论分析空穴／气核加速颗粒－气泡吸附提高浮选速度的实际应用证明了这一机理，同时提供了改进浮选设备设计的方式，着重强调二段吸附模型。一些浮选槽采用了这个模型所取得的快速浮选的效果可解释为二段吸附作用的结果。第一阶段是气核／空穴的产生以及在矿浆和流体空穴里通过搅拌和高溶解气体含量加强气核／空穴与颗粒表面的接触。第二阶段，也就是通过高气体含量和静流条件来加强用传统的浮选粒度气泡捕集气核－活化颗粒。

测量陶瓷颗粒聚集体的新方法

本文论述了如何开发一种在浓缩的陶瓷颗粒悬浮物中检测少量的大聚集体的新方法。由于在制造陶瓷过程中使用了稀浆,在以前对团球的研究中还未发现本文所报告的情况。

超导磁选白云鄂博尾矿稀土颗粒捕获及聚集行为

超导磁分离技术中,稀土矿物颗粒在磁介质上的聚集半径与磁介质填充率应相互匹配,以确保高效的矿物分离效果和提高稀土尾矿资源利用率。基于颗粒轨迹模型,探究了矿浆流速对颗粒捕获的影响并建立了颗粒饱和聚集模型,以计算稀土矿物颗粒单体及其连生体在磁介质上的饱和聚集半径、聚集半径和磁介质间距关系,从而优化磁介质填充率。并通过颗粒沉积试验,验证了聚集模型的正确性。研究结果表明,矿浆流动速度最优为0.1m/s时有效去除了杂质萤石矿物。磁介质有一个临界填充率,高于临界填充率不会发生堵塞。随着磁介质直径的增加,颗粒饱和聚集半径rBa和磁介质临界填充率逐渐增大,当连生体度为1/20的稀土连生体与磁介质直径为0.06mm时,临界填充率为5.6%。当磁介质直径为0.4mm时临界填充率为20.6%。本研究结果为稀土矿物的高效分离提供了重要的理论基础,也为工业生产中磁分离技术的优化与设计提供了可靠的参考依据。

气固稀相流中颗粒沉积和聚集的分子动力学模拟

本文在分子动力学模拟基础上采用了考虑黏附作用的JKR理论取代传统Hertz理论作为颗粒间作用力,并吸取了DEM中滑动摩擦、滚动摩擦和扭动摩擦的思想建立一种细颗粒碰撞和团聚过程的多时间尺度粒子动力学模拟方法.成功地实现了颗粒在纤维上沉积过程的模拟,结果表明微米颗粒的Van der Waals力量纲约是曳力2～10倍,中心流线附近颗粒更易于在纤维上沉积,初始沉积的颗粒则会在纤维上形成"遮挡"效应。

管流中颗粒“惯性聚集”现象的研究进展及其在微流动中的应用

当随机散布细颗粒的流体以低Re数层流流入直管时,经过一段距离的流动后,这些颗粒会被稳定地聚集在一个离管道中心固定距离的同心圆环位置上运动.这种运动特征被称为颗粒"惯性聚集"现象.该现象表明:在相应的Re数管流中,颗粒除受到流体沿主流方向的驱动力同时,还受到垂直于主流的横向力的作用.这种横向力是使颗粒产生聚集运动现象的主要原因,被认为是由于流场的惯性力对颗粒的作用.随着微流体控制技术的发展,颗粒"惯性聚集"现象又重新被关注.对它的研究不仅有望揭示微通道内颗粒、胶体或血管中生物体特殊的运动特性,而且还有助于研发各种低能耗、高效率的分离与净化装置.本文就近年来颗粒"惯性聚集"现象的研究进展作个总结,并提出作者的一些看法与研究思路.

微通道中颗粒惯性聚集的力学特性

为揭示微通道内悬浮颗粒惯性聚集现象的机理,基于相对运动原理,利用数值方法研究了单个球形颗粒在方形微通道中的运动状况,并对颗粒的受力特性进行分析.研究发现:较小粒径的颗粒在较高通道雷诺数下可产生惯性聚集现象,但其受到的惯性升力在通道截面横向位置分布具有很大的波动性;惯性聚集位置随通道雷诺数的增大向通道壁面移动,随颗粒粒径的增大向通道轴心移动;颗粒旋转产生的旋转诱导惯性升力使惯性聚集位置向通道壁面移动.惯性升力分为旋转诱导升力和由剪切诱导升力及壁面诱导升力合成的非旋转诱导升力,而后者是惯性升力的决定性部分.

微粉体聚集颗粒的气流分散研究

采用细长管、孔喷嘴和缩扩式3种分散器分别对滑石粉、高岭土等5种微粉体聚集颗粒进行气流分散研究。建立了气流条件与聚集颗粒分散程度的关系,关联所得计算值与实验值符合程度较好。实验结果表明,孔喷嘴分散器比细长管和缩扩式分散器更有利于实际应用。本文所设计的6级串级碰撞器可便捷地测定微粉聚集颗粒的大小及分布。

高雷诺数层流管道中颗粒惯性聚集特性的力学分析

根据相对运动原理,结合CFD技术,数值研究了在圆形截面通道高Re数层流中,颗粒所受惯性升力的空间分布特征,提出了颗粒惯性聚集现象在高雷诺数层流管道中所出现的内部聚集圆环的力学成因和影响因素。研究结果表明:颗粒在高雷诺数工况下所受的惯性升力的空间分布规律与低雷诺数工况完全不同,有两个稳定的升力零点:一个靠近通道中心,是形成颗粒内环聚集区域的力学成因;另一个靠近壁面,是形成颗粒外环聚集区的力学成因。这种现象的产生与旋转诱导升力并无明显相关性,而是源于流场压力场的贡献;影响颗粒内环聚集区的主要因素为颗粒相对粒径和Re数。相同条件下,该内环聚集区的半径会随颗粒相对粒径的增大而增大,随管道Re数的增大而减小。

高雷诺数层流管道中颗粒惯性聚集力学成因的数值研究

根据高雷诺数和低雷诺数层流管道中颗粒不同的聚集情况,课题组根据"相对运动原理"并结合CFD技术,建立了"相对运动模型"。采用数值模拟研究了在圆形截面通道高雷诺数层流中颗粒所受惯性升力的空间分布特征;探究了颗粒惯性聚集现象在高雷诺数层流管道中所出现的内部聚集圆环的力学成因和影响因素。研究结果表明:颗粒在高雷诺数工况下所受的惯性升力的空间分布规律与低雷诺数工况完全不同;在靠近通道中心处出现了新的升力零点,是形成颗粒内环聚集区域的力学成因。这种现象的产生和颗粒表面的剪切应力分布及压力分布有关,其中剪切应力分布的变化占主导作用。

剪切稀化流变特性对微通道中颗粒迁移的影响

该文采用“相对运动模型”对剪切稀化流体中的颗粒聚集现象进行了数值模拟,为了解剪切稀化效应在微流体中对颗粒力学特性的影响,对黏弹性流体和非黏弹性流体进行了剪切稀化的匹配.研究结果表明,剪切稀化特性可以明显改变颗粒的力学特性.在非黏弹性流体中,剪切稀化能导致颗粒的聚集位置向壁面移动,并且对颗粒的聚集速度具有激励作用;在黏弹性流体中,剪切稀化效应的发生会伴随着流体弹性的降低,从而导致颗粒由中心聚集转而向壁面聚集.另外,该文还观察到低剪切稀化且高弹性情况下颗粒惯性升力指向通道中心的现象.

影响多孔SiO2聚集体颗粒粒径的因素考察

在不考虑交互作用情况下，设计了五因素四水平正交实验以考察诸因素对硅灰石制多孔SiO2聚集体颗粒粒径的影响。实验结果表明，当反应时间统一为80min，陈化时间20min，反应温度50-55℃，所用酸为12MHCl。硅灰石用量为80g时，表面活性剂种类的选用对多孔SiO2聚集体颗粒粒径的影响最大，表面活性剂加入时间影响最小，多孔SiO2聚集体颗粒粒径最小的条件为悬浮液浓度20%，表面活性剂选用十六烷基三甲基溴化铵，体系最终pH值为1.5,NH4Cl添加量为1.25%。表面活性剂加入时间为60min时，验证实验结果符合这一结论。

关于颗粒惯性聚集现象数值算法的分析与研究

为深化对颗粒惯性聚集现象及原理的研究,通过CFD数值模拟技术针对球形颗粒在微通道内的聚集运动建立了相应模型,以不同的数值算法进行模拟分析。通过对比分析不同条件下两种模型,即"相对运动模型"和"六自由度模型"的数值计算结果与实验数据的适配情况,分析两者的精准度与适用性,为颗粒惯性聚集现象的模拟研究提供指导。研究结果表明:"相对运动模型"适用于颗粒粒径或雷诺数较小的情况,可以快速得到颗粒惯性升力的空间分布,进而确定其聚集位置。"六自由度模型"以大量的计算时间为支撑,其计算结果在各种工况下均具有较高的精确度;能描述颗粒惯性聚集运动的轨迹;能够跟踪测量聚集过程中,颗粒在各个位置的运动参数和受力情况。