气固流化床的离散颗粒运动-碰撞解耦模型与模拟

基于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,采用硬球模拟方法处理颗粒与颗粒之间的碰撞,及大涡模拟方法处理气相湍流流动.单颗粒运动满足牛顿第二定律,颗粒相和气相相间相互作用的双向耦合由牛顿第三定律确定,数值模拟二维鼓泡流化床内稠密气 固两相流动,得到了气泡的形成、发展及颗粒的流化过程,计算结果表明颗粒弹性恢复系数影响气 固两相流动特性.

非球形颗粒碰撞壁面反弹特性的试验及模型

气固分离过程中,颗粒碰撞壁面的反弹行为对颗粒运动及装置的分离效率将产生重要影响。已有研究多针对球形颗粒的碰撞行为,然而实际工业过程中,煤粉、生物质、矿石等颗粒均为非球形颗粒,该类颗粒与壁面碰撞后的反弹行为与球形颗粒存在显著差异。为深入掌握非球形颗粒碰撞壁面的反弹行为,搭建了颗粒壁面碰撞试验装置,采用高速摄像及图像处理方法获得典型非球形颗粒碰撞壁面的基础数据,分析颗粒材质、球形度、壁面粗糙度、撞击角度、撞击速度等关键参数对颗粒-壁面反弹行为的影响。基于颗粒壁面碰撞四参数模型和神经网络模型分别预测了非球形颗粒与壁面的反弹行为的统计和随机分布特性。结果表明各类非球形颗粒与粗糙壁面碰撞的反弹行为存在一致性,说明球形度低于一定数值后,将成为颗粒壁面碰撞反弹行为的主导因素。四参数模型能很好地预测碰撞结果及随机分布特征,而基于试验数据训练的神经网络模型可达到更好的预测效果。

横向振动立管上升流中球形单颗粒运动特征

深海采矿过程中,输送矿石颗粒的立管在复杂海洋环境作用下会产生运动响应,这会对管道中矿石颗粒的运动行为产生重要影响,从而影响矿石提升效率,甚至可能危及整个采矿系统的安全.结合颗粒运动方程和软球碰撞模型,对横向振动立管中的球形单颗粒运动特征进行研究,主要分析了立管振动参数、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比对立管中单颗粒运动的影响.研究表明,随振动频率和幅度、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比的增加,颗粒垂向平均速度减小.颗粒与管壁之间无碰撞发生时,颗粒与立管之间横向相对速度幅值、颗粒运动与立管之间横向速度的相位差以及颗粒垂向速度波动幅值,与立管振动的频率和振幅、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比呈正相关.然而,当颗粒与立管之间有碰撞发生时,颗粒与立管间的横向速度的相位差减小,而颗粒垂向速度波动幅值显著增大.另外,随着密度比和直径比的增大,颗粒与管壁之间更容易发生碰撞,而碰撞会减弱密度比和直径比对颗粒横向速度和垂向速度的影响.

利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动

建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型．该模型包括壁面摩擦、恢复、特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素,因此体现了壁面上各方向Reynolds应力之间的相互转化、湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用,给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响．将本模型应用于气-粒两相水平槽道流动并用PDPA测量结果验证,结果表明,当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果,本模型则给出比较符合实际的结果．

高钙煤灰颗粒与液滴碰撞增湿脱硫过程的模型研究*

为模拟增湿活化反应器内高钙煤灰颗粒的增湿脱硫过程,采用随机轨道模型分别跟踪颗粒群与液滴群,以相邻单元间26条颗粒流通道模型统计未增湿条件下的初始颗粒流量,以液滴群的空间单元捕捉效率为单元体内颗粒流量守恒方程的源项(汇)系数,来迭代各单元通道上的未增湿颗粒流量,耦合煤灰颗粒与液滴群的碰撞过程。并进一步考虑反应器内气、液、固多相湍流物理化学反应过程,建立了三维场内高钙煤灰低温增湿脱硫总体模型,初步预测了高钙煤灰增湿脱硫过程,模型预测与试验结果具有很好的吻合特性。图10参9。

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。

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。

风沙运动过程的颗粒流体动力学模拟

采用颗粒流体动力学方法,在考虑沙粒与床面碰撞、沙粒-沙粒的空中碰撞及沙粒与气流的耦合作用后,对自然沙组成的风沙流发生、发展及达到动态稳定的这一个过程进行了数值模拟。数值模拟结果表明,该模型能够实现自然界风沙运动的沙粒蠕移、跃移的基本特征,如风沙流达到稳定的持续时间、输沙率、入射/溅射速度分布、入射/溅射角度分布等,且都与实验结果吻合。同时,在模拟中还发现,沙粒-沙粒在床面以上运动时的碰撞是不容忽视的,当摩阻风速为0.23 m/s,沙粒当量直径为0.228 mm时,其碰撞次数可占总碰撞次数21.5%。

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。

液压油箱中固体颗粒运动轨迹及分布的研究

基于欧拉-拉格朗日方法对液压油箱内固-液两相流流场进行数值模拟,分析不同粒径颗粒在油箱中的运动轨迹,获得颗粒在油箱中的运动规律,提出了两种颗粒沉降的方案。研究结果表明:油箱中的某些循环区域会形成高湍流强度区域,粒径小的颗粒运动易受到湍流影响;粒径小的颗粒与流体之间有较好的跟随性;颗粒运动过程中受到湍流的影响随液流速度的增加而增强;另外,对比分析不同结构油箱中颗粒的沉降特点,在油箱中设置隔板和扩散器能延长油液的流动路径、稳定液流进入油箱的状态、增加颗粒的停留时间,提高固体颗粒的沉降。

岩质滑坡-碎屑流的运动距离计算公式研究

滑坡-碎屑流的远程运动距离是碎屑流体所能够达到的最大堆积距离,是灾害预警和评估的重要指标。通过总结已有碎屑流运动距离研究成果,从岩体势能入手开展研究,并结合量纲分析,首先建立了运动距离与势能之间的基本方程。其后,采用4种颗粒材料开展岩质碎屑流滑槽试验,研究碎屑体体积V、滑移区坡度α、碎屑粒径d以及最大垂直运动距离H等对碎屑流运动距离L的影响,通过逐步拟合回归,建立了基于势能的岩质滑坡-碎屑流最大水平运动距离的计算公式。最后,采用汶川地震触发的38个岩质碎屑流以及17个其他典型岩质滑坡碎屑流数据对计算公式进行了验证,结果表明,考虑该运动距离计算公式具有较好的可靠性,能够为山区滑坡-碎屑流灾害预警工作提供理论指导。

壁面约束对气固两相流中细长颗粒流化特性影响的数值研究

细长颗粒的循环流化在工业生产中具有非常广泛的应用,如生物质秸杆在循环流化床中的燃烧,烟丝在循环流化床中的干燥或加湿等。细长颗粒的流化特性受颗粒间碰撞及当地气场风速等因素的影响。文中根据刚体动力学及动量守恒定理,建立起颗粒–壁面碰撞三维数学模型,并采用此三维数学模型研究了壁面约束效应对细长颗粒流化特性的影响。研究发现,壁面对提升管内壁面附近区域的细长颗粒的取向分布及浓度分布均有明显的影响,并且,取向分布随径向位置变化规律也受壁面约束影响。

直线振动输送机物料运动状态分析

振动输送机输送物料在运动过程中受到不连续的摩擦力及碰撞力的作用,属于强非线性动力学问题.研究物料在不同振动条件下的运动状态对振动输送机的设计至关重要.以直线振动输送机上运动的物料为研究对象,基于Coulomb摩擦定律及碰撞原理,建立了物料滑动-跳跃运动模型.并利用所建模型,分析了不同振动条件下物料运动状态的变化.研究结果表明,在物料跳跃运动过程中,存在着正向滑动甚至反向滑动,滑动作用对物料的运动有一定影响.

直接模拟蒙特卡罗方法研究循环流化床内颗粒聚团的流动

采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)模拟颗粒间的碰撞,用Lagrangian方法计算颗粒的运动.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.数值模拟垂直管道内气固两相上升流动,对管内气相速度和颗粒相速度、浓度,以及聚团流动进行分析,得到气固两相上升流中颗粒流动的有关信息.

考虑运动副冲击影响的铰链四杆机构动力学分析

采用分离 -碰撞 -接触模型建立含间隙机构的运动微分方程 ,考虑机构驱动装置的机械特性 ,在数值求解过程中根据运动副反力为零等条件判断运动副元素间是否发生分离和碰撞 ,提出了运动副元素发生分离和碰撞的模式假设 ,进而考虑运动副冲击的影响对机构进行动力学分析。研究结果表明 ,所提出的模式假设是合理的 ,在求解运动微分方程过程中考虑运动副冲击影响的算法是可行的。

风沙跃移运动的数值模拟

根据纳维-斯托克斯方程,分析风沙流的特征和风沙运动的基本规律,推导出流体相控制方程。采用离散单元法和硬球模型对单颗沙粒碰撞规律进行分析。微观上通过建立风沙运动颗粒碰撞的数学模型,如跃移颗粒在空间上的碰撞等,得出颗粒的运动规律,同时模拟出颗粒的受力状况、沙粒速度随高度的变化规律以及输沙量随高度的分布状况。

气固流化床中细长颗粒数量浓度分布的数值研究

细长颗粒的循环流化在工业生产中具有非常广泛的应用背景,如生物质秸秆在循环流化床中的燃烧、烟丝在循环流化床中的干燥或加湿等。由于细长颗粒具有六自由度,因此,其运动姿态比球形颗粒复杂,其在流化床内的流化特性也不同于球形颗粒。细长颗粒的数量浓度分布是细长颗粒流化特性的重要特征之一。根据直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法的基本思想及刚体动力学原理,建立了考虑细长颗粒间相互碰撞的三维细长颗粒流化运动数学模型,并采用此模型对某一实际流化床内的气固两相流场进行了模拟研究。在实验提升管内,所有物料中小长径比的细长颗粒最先由提升管的近壁处到达提升管出口。细长颗粒在流化过程中有明显的迁移和絮团现象。在流化状态下,细长颗粒的数量浓度分布基本不随入口风速发生变化。

煤灰粒子冲击管子的碰撞和磨损研究

本文对煤灰粒子冲击单根管子的碰撞和磨损问题进行了效值研究。用SIMP LE方法求解绕流单根管子的湍流气相场。应用脉动频谱随机颗粒轨迹模型计算了烟气中煤灰粒子冲击单根管子的运动轨迹。应用Tabakoff提出的估计煤灰粒子对塑性材料冲蚀量模型估计了管壁各处受冲蚀的程度,指出了最大冲蚀部位,讨论了冲蚀量与烟气速度和煤灰粒子尺寸的关系,并将估计的冲蚀结果与实验结果作了比较。

Cluster Model for Wave-Like Motions of a 2D Vertically Vibrated Granular System

梯形簇垂直地在 2D 存在的事实颤动了小粒的系统导致我们构造一个簇模型，像波浪的运动作为簇板和簇簇碰撞的结果在被解释。由详细与板分析一簇的碰撞，我们从速度关系推出一个基本方程，它能被分开成二个关联词方程：一个人与令人激动的加速联系像波浪的运动，并且我们把它称为刺激条件；其它与令人激动的频率联系波长， viz，分散关系。理论结果与试验性的一致，它支持簇模型的想法。而且从簇模型，我们也预言 2D 的反常分散关系的可能性小粒的系统。[从作者抽象]

多物理场中染污绝缘油内杂质相动力学行为研究综述

固体颗粒物染污是导致绝缘油品质劣化的重要原因之一。杂质相颗粒的理化属性和浓度分布会从微观界面效应、电场分布等方面对绝缘油的电气性能构成影响。该文从近年来国内外学者所发表的有关流-固两相流和含杂质油流基本特性领域研究成果出发,分析油中杂质相颗粒的来源、受力、流-固耦合模型、运动特性观测及油品电气特性等方面的研究进展和存在的问题。从理论模型、数值模拟和实验观测三个角度出发,提炼出流、电、热多物理场耦合作用下含杂质油流领域研究动向和关键问题,以期为建立多场耦合和多杂质物相下油-流介质的综合动力学方程,揭示固相影响作用和过程机理,以及为染污绝缘油研究工作提供借鉴。