喷动流化床颗粒混合特性的三维直接数值模拟

采用离散元方法,对喷动流化床内的颗粒混合特性进行了三维直接数值模拟。气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型。模拟喷动流化床上下两层颗粒的运动和混合过程,揭示颗粒的混合机制,同时提出表征颗粒混合质量的重要特征参数,并考察了喷动气速和流化气速对颗粒混合的影响。结果表明:由喷动气射流带动而形成的颗粒内循环是颗粒混合的机制;增加喷动气速度和流化气速度均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少且混合更均匀。

采用多元颗粒模型对圆柱形颗粒在移动床中流动的离散单元法直接数值模拟

为了研究活性焦颗粒在移动床内的流动特性,通过离散单元法直接数值模拟方法对活性焦即圆柱形颗粒在移动床内的流动进行了数值模拟。采用多元颗粒模型来描述圆柱形颗粒,即圆柱形颗粒通过几个叠加在一起的球元构成。建立了圆柱形颗粒的碰撞机制,分析了圆柱形颗粒在流动时的受力情况,并通过实验验证多元颗粒模型的可靠性。从宏观和微观2个方面,比较圆柱形颗粒2种构建方式(2球元和3球元)下的模拟结果。结果表明:2球元和3球元构建的圆柱形颗粒在动能、转动动能、变形量、碰撞力、碰撞次数等微观方面的差别较大。且通过比较颗粒位置图和下料率可以看出,3球元圆柱形颗粒的模拟结果与实际结果更加相符,因此,选择3球元作为圆柱形颗粒的构建方式。

颗粒趋壁沉积的直接数值模拟

气相采用直接数值模拟方法、颗粒相采用拉格朗日轨道模型方法对摩擦雷诺数为180的充分发展槽道内Stokes数为1～10^4的颗粒趋壁沉积现象进行了研究。研究表明，惯性颗粒在湍流涡的作用下趋向壁面运动，并以一定速率沉积。在“吸收壁面”条件下沉积速率首先随着颗粒弛豫时间增大而增大，在弛豫时间大于100时，沉积速率保持不变。

可吸入颗粒物近壁运动的直接数值模拟

本文采用湍流直接数值模拟方法对近壁面附近直径为1,10,:100 μm的颗粒运动进行了研究。采用分布投影法进行N—S方程的求解,时间推进采用3阶Runge-Kutta法,方程空间离散采用高阶差分格式进行。数值模拟准确再现了近壁面附近的湍流流动特征,以及可吸入颗粒的运动行为。模拟出颗粒在壁面附近的聚集现象,以及不同尺寸颗粒的分布情况,为进一步研究可吸入颗粒控制技术奠定基础。

高焓流动中的可压缩颗粒两相流并行求解器:数值方法及其验证

在极端力学环境下可压缩点力颗粒两相流理论方程的基础上,提出一种基于动态链表数组的并行颗粒求解器,使其与可压缩流体求解器耦合。与基于欧拉坐标系的携带流体相不同,基于拉格朗日坐标系的求解器采用动态链表数组对弥散颗粒相进行内存分配,可以解决因使用全局数组解决拉格朗日/欧拉坐标系转换带来的弥散颗粒群内存利用率低和计算效率低下问题。最后对多物理效应的可压缩颗粒两相流求解器进行验证,并在马赫数渐进趋于零的情况下,对两个不可压缩槽道颗粒湍流标模进行验证。

各向同性湍流中颗粒弥散的直接数值模拟

对三维气粒两相各向同性湍流进行了直接数值模拟以研究悬浮在其中的颗粒的运动.重点考察了颗粒惯性对颗粒和颗粒所见流体速度的自相关以及颗粒弥散特性等的影响.颗粒的Lagrangian积分时间尺度随颗粒惯性单调增加,颗粒所见流体速度的Lagrangian积分时间尺度保持相对稳定;当颗粒的弛豫时间尺度与流体的Kol mogorov时间尺度相当时,流体Lagrangian积分时间尺度有较大偏离.当颗粒的惯性很小时,颗粒扩散随惯性增大而增强,但当颗粒的惯性大于一定值时,颗粒的扩散性反而减弱,局部富集明显时颗粒扩散系数最大,此时颗粒的涡扩散系数可比流体的高约30%.τp/τk≈1.0的颗粒的浓度场显示,由于局部富集效应颗粒倾向于集中在低涡度高剪切的区域.

内循环流化床颗粒流动特性的直接数值模拟

内循环流化床是一种新型式的流化床,采用多风室非均匀布风实现床料颗粒的大尺度循环流动,从而增强了颗粒的横向混合。内循环流化床已应用于城市生活垃圾的焚烧制能,其燃烧速度、燃尽率及污染物排放优于传统的链条炉或鼓泡床。但是,目前设计的内循环流化床普遍较小,还不能满足城市垃圾的处理要求,根本原因在于对床内的气-固流动特性,特别是颗粒的运动规律没有深入的认识。内循环流化床内的气-固流动属于稠密的两相流,通过试验手段,如PIV、PDA也很难获得床内单个颗粒的运动特征。因此,采用前言的DEM(DiscreteElementMethod)模型对二维内循环流化床内的颗粒流动进行直接数值模拟,模拟结果表明非均匀布风内循环流化床内确实存在颗粒的大尺度循环流动。

颗粒沉降运动的虚拟区域法直接数值模拟

文采用基于四边形网格的分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法(DLM／FD method)对二维方槽内775个圆形颗粒在流体中的沉降过程进行了直接数值模拟。得到了颗粒流沉降过程中流体和颗粒速度和涡量分布、流场压力分布等流动细节,展示了颗粒在沉降过程中由于相间的相互作用以及颗粒间的作用,使得颗粒流在流场内形成大小不一的旋流区,颗粒回旋着沉降,同时颗粒的尾涡影响附近颗粒的运动．本文的结果说明分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法对模拟存在很多颗粒的悬浮体流动是可行的。

圆柱尾迹中颗粒运动的直接数值模拟研究

文中首先对圆柱尾迹拟序结构进行直接数值模拟,得到高精度流场后对圆柱尾迹中的运动颗粒进行研究。通过研究不同颗粒St数,流场Reynolds数对颗粒扩散运动的影响来刻画圆柱尾迹中颗粒运动的物理机理。研究表明,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在圆柱尾迹中的扩散机理主要是决定于吸力作用。

流化床中颗粒流化运动的直接数值模拟

流化床燃煤锅炉对环境污染小的原因之一是在燃烧时向炉内加入脱硫剂 ,脱硫剂与煤颗粒一起沸腾流化 ,相互充分接触 ,脱硫剂对燃烧过程中产生的硫化物进行反应吸收。由于喷入炉内的脱硫物质在粒径和密度上通常与煤颗粒不同 ,在流化区域上也存在差异。为了了解不同粒径和密度颗粒在流化床内的运动规律 ,达到高效、经济的脱硫效果 ,采用直接数值模拟方法 ,对粒径和密度呈正态分布的物料在流化床内的流化运动区域进行了研究 。

方形颗粒沉降运动的有限元ALE法直接数值模拟

采用有限元任意拉格朗日欧拉(ALE)法对方形颗粒在二维垂直通道中的沉降运动进行研究。对不同初始取向角、长宽比以及不同雷诺数情况下单个颗粒的沉降过程进行了数值模拟。结果表明,雷诺数一定时,初始取向角对颗粒沉降过程有很大影响。初始取向角增大,颗粒的取向角、沉降速度、角速度以及横向漂移速度的振幅都将增大;长宽比对其沉降过程的影响与长宽尺寸有关。但是,无论长宽尺寸是多少,长宽比增大,颗粒最终沉降速度将相应减小;雷诺数对颗粒沉降过程也有很大影响。当雷诺数小于某个临界值时,颗粒最终会稳定沉降;当雷诺数较大时,颗粒的横向漂移和取向角都会出现持久振荡。多个方形颗粒在沉降过程中由于颗粒之间的相互作用,会出现倒'T'形结构,并且随着时间的推移,逐渐趋向于水平位置。

固体颗粒在热对流下沉降的直接数值模拟研究

在任意拉格朗日-欧拉算法模拟等温惰性颗粒两相流的基础上,增加对能量方程的联立求解,在热对流条件下对固体颗粒在不同雷诺数下的沉降规律进行了直接数值模拟.结果表明:热对流引起了流场流动的变化和不对称,颗粒在热流体中沉降,热对流产生的力加速了冷颗粒的运动,尾部形成了涡脱落;颗粒在冷流体中沉降,热对流产生的力阻碍了冷颗粒的运动,尾部形成了羽流.随着雷诺数的增大,颗粒经历了稳定沉降、周期性摆动到不稳定、无规则运动3个阶段.

用直接数值模拟方法对流化床内颗粒运动区域的研究

采用直接数值模拟技术 ,跟踪离散颗粒场中的每一个颗粒 ,对不同直径和密度的颗粒在流化床内的流化运动区域进行了探讨研究。结果表明 ,不同直径和密度的颗粒在流化床内的流化区域有显著的差异。在颗粒密度相同 ,颗粒直径取正态分布时 ,小颗粒在床内大部分集中在床层的上方 ,大颗粒的运动密集区域在床的下半部分。当颗粒直径相同而密度取正态分布时 ,轻颗粒的活动范围趋向于床层的上方 ,重颗粒的运动区域分布与轻颗粒相反。还发现 ,粒径变化对颗粒流化区域的影响大于密度变化所造成的影响。

两相圆孔射流颗粒喷入方法关键问题的直接数值模拟研究

对两相圆孔射流颗粒喷入方法的关键问题进行了直接数值模拟研究。气相采用可压缩的N-S方程直接求解,颗粒相采用拉格朗日方法(Lagrangian)跟踪实际颗粒的运动。主要探讨了空间发展的两相圆孔射流在采用直接数值模拟算法的前提下,颗粒喷入的方法以及喷入方法对两相圆孔射流中不同直径颗粒的扩散特点。在拉格朗日坐标系下实际跟踪了每一个颗粒运动的轨迹,通过反复的数值试验研究发现,颗粒喷入方法是可信的,得到数值模拟结果成功地再现了不同直径颗粒扩散特性。

三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟

为了考察颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理,对气固两相圆柱尾迹流动进行了高精度紧致差分方法的三维直接数值模拟.在对气相流场进行高精度模拟的基础上,采用了Lagrangrian方法来追踪颗粒场的运动.比较了不同颗粒Stokes数为0.01、1、10和不同Reynolds数为180和200下颗粒的扩散函数,考察了三维圆柱尾迹流流场中气相场的运动对颗粒相扩散的影响.模拟结果表明:当气相流场由二维特性向三维特性转变时,由于受到气流场展向涡的影响,颗粒的展向扩散函数有相当程度的增大.颗粒在横向上扩散函数随着粒径的增大而增大,而在展向上颗粒扩散函数则随着粒径的增大而减小.

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρ_(r)越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d_(p)越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.

湍流横掠固定颗粒的全尺度直接数值模拟

气固两相流模拟中,当固相尺度接近或大于Kolmogorov尺度时,普通的点源模型将不再适用,固体相的体积效应和表面效应将对流体相产生显著的影响。通过采用直接数值模拟方法,结合内嵌边界方法对湍流中不同湍流强度流体横掠大于Kolmogorov尺度的固相颗粒进行了全尺度模拟,讨论分析了在两种湍流度下方形颗粒对湍流的调制影响以及颗粒的受力情况。

亚颗粒尺度颗粒群运动三维直接数值模拟

提出一种基于有限元的虚拟区域法,可在亚颗粒尺度上实现对三维颗粒群运动的高效直接数值模拟;基于虚拟区域法的思想将颗粒视为浸入在背景网格中的有限大小区域而非零维点,在有限元方法的离散方程中引入体现颗粒作用的动量方程源项以保证颗粒的刚体运动;给出了三维虚拟区域法的实现方式与数值检验结果,并对管道中的颗粒群实际运动过程进行了直接数值模拟,得到了颗粒群与流场相互作用的非稳态结果。结果表明,虚拟区域法不仅能够处理三维颗粒运动的颗粒边界条件,不需要重新划分网格,而且还可以用于进行多颗粒运动系统的亚颗粒尺度直接数值模拟,最终得到详细的速度场和受力结果。

各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究

对Reλ约为51均匀各向同性湍流内Stk(=τp／Tk)为0-10.0的有限惯性颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以研究湍流对有限惯性颗粒碰撞的影响．结果表明,具有一定惯性颗粒的湍流碰撞率完全不同于零惯性的轻颗粒(Stk=0)和可忽略湍流作用的重颗粒(Stk→∞),其变化趋势极其复杂:在Stk为0-1．0之间,颗粒的碰撞率随St的增加而近乎线性地剧烈增长,在Stk≈1．0和3．0(对应的StE=τp／Te≈0．5)附近,颗粒碰撞率出现两个峰值,在Stk>3．0以后,颗粒的碰撞率随惯性增大而逐渐趋向于重颗粒极限;在峰值处,有限惯性颗粒的平均碰撞率的峰值较轻颗粒增强了30倍左右．为进一步分析湍流作用下颗粒碰撞率的影响因素,分别使用可能发生碰撞的颗粒对的径向分布函数和径向相对速度来量化颗粒的局部富集效应和湍流掺混效应,表明Stk≈1．0时局部富集效应最为强烈,使得颗粒的碰撞率出现第1个峰值;湍流掺混效应则随着颗粒Stk的增大而渐近增大;局部富集和湍流掺混联合作用的结果,使得颗粒碰撞率在Stk≈3．0附近出现另一个峰值．

气固两相圆柱绕流转捩两种模式的三维直接数值模拟

该文对随空间发展模式的三维气固两相圆柱绕流中颗粒与流体的单相耦合作用进行了直接数值模拟。气相流场采用高精度紧致差分方法的数值方法对N-S方程组进行直接求解,计算颗粒场时,选取Stokes数等于0．01、1、10的颗粒,采用Lagarangian方法跟踪其运动。颗粒与壁面采用了弹性碰撞的方法来模拟。重点考察了颗粒相受两种模式下拟序结构的作用,分析了不同Stokes数的颗粒扩散受其相应流场特性的影响。数值结果表明,颗粒扩散受两种模式的影响很大。在相同的Stokes数下,B模式下的颗粒场纵向和横向扩散要高于受A模式影响的颗粒场；而在相同雷诺数下,Stokes数越大,横向扩散越小,纵向扩散越大。