基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

基于CFD-DEM的物料转运过程诱导风流场与产尘因素分析

为了揭示颗粒物料在皮带机转运过程中的粉尘运移规律问题,推导了含有水平初速度的颗粒物料转运过程中的诱导气流方程,并采用CFD-DEM耦合方法对转运过程中的颗粒分布与诱导风流场特性进行了研究,分析了颗粒物料的落料高度、质量流量和初速度对颗粒逸散与诱导气流的影响。结果表明:颗粒在弧形下落阶段速度逐渐提高,挤压碰撞阶段颗粒速度先降低后提高,最后趋于稳定,部分颗粒出现逸散现象;含尘气流在颗粒物料弧形下落阶段和挤压碰撞阶段扩散较为明显;诱导气流速度与颗粒物料质量流量和初始速度呈正比关系,颗粒物料质量流量与诱导气流速度呈幂函数关系,拟合曲线幂指数为0.6~0.74。

流场涡旋中颗粒碰撞黏附机制的CFD-DEM(XDLVO)模拟

混凝装备中流场的涡旋特征是影响煤泥水等微细颗粒絮凝效果的关键因素之一。为解析流场涡旋影响颗粒混凝碰撞与黏附机制,以圆柱绕流产生的涡街为代表性涡旋流场,采用CFD方法模拟了流速和圆柱直径对流场涡旋强度和尺度的影响;引入XDLVO理论辅助描述离散元方法中颗粒间的相互作用力,对粒径为25~100μm颗粒在上述流场中的碰撞与黏附过程进行CFD-DEM模拟,并试验验证。结果表明,在流速0.06~0.12 m/s、圆柱直径2~6 mm、雷诺数为120~720条件下,圆柱绕流场中的涡旋半径(r)与圆柱直径(D)的关系近似为r=0.133 3D+0.421 4,与流速无显著相关性;涡旋中心的最大涡量与流速成正比,涡旋强度与圆柱直径的2次方正相关。CFD-DEM(XDLVO)模拟方法获得的黏附聚集体的特征参数与试验结果吻合较好,说明其可较准确地描述圆柱绕流场中颗粒的碰撞与黏附过程。对流场涡旋分布特征和聚集体在流场分区中分布特征的分析表明,流场中的涡旋通过惯性离心力使颗粒远离涡旋中心向涡旋周边的黏性剪切区富集,在改变颗粒运动方向的同时,增加了颗粒在黏性区的局部浓度,从而提高了颗粒的碰撞概率,有效促进了颗粒的黏附并大。当涡旋尺度为物料粒径的10倍左右时最有利于颗粒的碰撞黏附,因此可根据应用场景的物料粒度来优化设计绕流圆柱直径,使其达到最好的黏附效果。

混凝土搅拌筒CFD-DEM多相流数值模拟与分析

为研究混凝土运输车搅拌筒内的混凝土与骨料颗粒的真实运动情况,采用CFD-DEM耦合的方法,考虑混凝土的非牛顿流体特性及骨料颗粒间的相互作用,对混凝土进料、搅拌、出料过程的混凝土及颗粒运动规律进行数值模拟。通过将出料时间和出料速率数值仿真结果与实验对比,验证了CFD-DEM耦合方法的可行性。将计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和离散元(Discrete Element Method,DEM)仿真结果导入ABAQUS中对叶片结构强度进行了分析,结果表明:叶片所受应力远小于材料的许用应力,最大节点位移满足刚度设计要求。最后对叶片的磨损情况进行了分析。

CFD-DEM方法研究下降管结构对颗粒流动的影响

为了明确不同下降管结构内陶瓷球和生物质颗粒的流动规律,对比研究了方形和圆形下降管对颗粒轴向速度、颗粒碰撞率和生物质停留时间的影响,同时考察了管径对颗粒轴向速度和生物质停留时间的影响。搭建了CFD-DEM耦合框架,并利用粒子图像测速技术对模拟进行了速度验证。试验结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好;混合颗粒在圆管中的时均轴向速度高于方管,圆管中陶瓷球的最大轴向速度比方管高10%左右;不同管径大小下降管中的颗粒轴向速度差异主要体现在下降管的转弯处,管径60、70和80 mm下降管转弯处的陶瓷球速度依次损失了37%、40%、45%左右,生物质的速度依次损失了49%、52%、54%左右;方管中生物质与壁面的接触碰撞频率更高,圆管中生物质与陶瓷球的接触碰撞频率更高,两种管中分别约为23%和39%的生物质颗粒与陶瓷球接触;陶瓷球的加入后方管和圆管中的生物质停留时间分布离散程度分别增加了10%和17%。研究结果为下降管热解装置中的颗粒流动状态分析及结构设计和优化提供了依据。

基于CFD-DEM方法的饱和砂土场地液化模拟研究

砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。

不同细粒含量与间断比下不连续级配砂砾土渗蚀的CFD-DEM数值模拟

基于CFD-DEM方法,开展了不同细粒含量(质量分数,下同)与间断比下不连续级配砂砾土渗蚀数值试验,从宏细观角度研究了细粒含量与间断比对渗蚀的联合作用机理。研究结果表明:土体侵蚀率随间断比的增大而增加,当间断比G较小(G<3)时,土样内部未发生颗粒迁移现象,表现出较好的内部稳定性,与KéZDI判别准则吻合。当细粒含量不同时,间断比对渗蚀宏细观特征行为影响程度差异显著。当细粒含量较低(如15%)时,细颗粒较少参与土体内部应力传递,渗蚀过程中土样体积、强接触力链以及细颗粒应力分担系数几乎不发生改变,粗颗粒间孔隙直径增大,导致更多弱接触细颗粒流失,从而使得侵蚀率随间断比增加;相反,当细粒含量较高(如35%)时,参与应力传递的细颗粒比例相对较高,间断比增大导致粗颗粒数量减少,细颗粒流失易导致整个土体力链体系破坏,引起骨架颗粒重组变形,进而释放更多约束颗粒,加剧颗粒流失,故侵蚀率增加是孔隙直径增大和渗蚀过程中土骨架不断发生变形共同作用的结果。

基于CFD-DEM方法的泥水平衡盾构排屑效率影响因素敏感度

泥水平衡盾构机气垫仓内岩屑的快速排出对于保证施工安全和提高掘进效率至关重要,已有研究主要集中在岩屑在排浆管中运输的运动特性,而从气垫仓进入排浆管直至排出的完整过程却往往被忽略,因此现有研究对于指导实际工程还存在局限性。基于CFD-DEM(computational fluid dynamics-discrete element method)计算流体力学-离散单元耦合计算方法并结合实际工程建立了可以完整反映气垫仓内岩屑排出的数值计算模型,对比了不同冲刷管布设情况下(垂直距离h1、水平距离h_(2)和转角β)岩屑的排出情况,总结了不同因素对岩屑排出率的敏感度。研究结果表明排出率随着h1的增加而减小,随着h_(2)和β的增加而增加,三个因素的平均敏感度排序从大到小依次为h1(1.6)>h_(2)(0.79)>β(0.61),因此在实际工程中降低冲刷管高度是提高岩屑率最有效的措施。研究结果可为优化冲刷管的布设和制定相关施工措施提供实用参考。

基于CFD-DEM的激光熔覆粉末利用率仿真分析

目的为准确描述激光熔覆过程中粉末与粉末、送粉管、基板之间存在碰撞的事实,提高粉末利用率,探究送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律及原因。方法首先,基于FLUENT有限元分析软件和EDEM离散元分析软件建立基于CFD-DEM的激光熔覆三维耦合模型,对粉末流从喷嘴喷射到达熔池的全过程进行气固两相流模拟仿真;然后,采用正交方差分析法确定送粉量、载气量和保护气量对粉末利用率的影响规律;最后,利用粉末收集试验和单道激光熔覆试验验证模型的可靠性及准确性。结果粉末利用率方差分析结果表明,送粉量、载气量和保护气量的显著性差异评价量F值分别为169.079、114.317、50.153;粉末利用率随送粉量、载气量和保护气量的增大均先提高后降低;在送粉电压18 V、载气量15 L/min、保护气量10 L/min和送粉电压14 V、载气量11 L/min、保护气量8 L/min 2种极端工况下进行粉末收集试验,模拟值与试验值误差分别为4.03%、4.54%;在激光功率1100 W、扫描速度5 mm/s下进行单道激光熔覆试验,模拟值与试验值误差分别为16.13%和16.50%,说明该模型准确可靠。结论送粉量对粉末利用率的影响最大,载气量次之,保护气量影响最小;获取较高粉末利用率的最优组合参数为送粉电压16V、载气量13 L/min、保护气量10 L/min。

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.

基于多分散非球颗粒CFD-DEM的沉积物排放扩散特性研究

为从颗粒及流场尺度探究沉积物颗粒在水流作用下的悬浮与扩散机制,在离散元中引入高斯曲率模型表征非球颗粒非线性接触特性,并改进非球颗粒的拖曳力模型及孔隙模型,建立了多分散非球颗粒CFD-DEM流固耦合数值方法;通过与物理模型试验对比,验证了该方法的有效性与优越性;随后对沉积物在水流作用下的悬浮扩散过程进行模拟。研究结果表明,沉积物沉降率与颗粒入流量成正相关,与流速成负相关;而逸出率与沉降率呈相反趋势;在高初始排放量下,颗粒团簇效应促进流体动能耗散,颗粒所受重力作用超过惯性力作用,颗粒快速沉降;在低初始排放量下,较高流体动能促进颗粒水平向输运;在流速较小情况下,颗粒形状对沉积物的空间分布影响不可忽略。

基于CFD-DEM方法与多孔介质模型的管式固定床反应器柱状颗粒床层特性研究

使用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)和多孔介质模型分别对管式固定床反应器进行数值模拟,讨论在不同装填方式与管径比条件下,柱状颗粒床层的堆积特性与单位压降变化规律,并对比两种数值模拟方法计算结果的一致性和计算效率。计算结果表明,混合装填方式比单一装填方式更容易使柱状颗粒床层达到稳定状态。在采用单一装填方式且管径比一定时,床层压降会随入口气速增大而增大,在实际应用中应选择合适的入口气速,以防止设备损坏。当采用混合装填方式时,床层截面压力波动显著减小20.63%,床层颗粒堆积更均匀。对比CFD-DEM与多孔介质模型的计算结果与效率,发现当颗粒雷诺数(Re_(p))小于229时,多孔介质模型与耦合算法得到的床层压降最大偏差为6.3%;当Re_(p)从229增大到458时,床层压降的偏差随Re_(p)增大而增大,最大偏差为13.4%,满足工程误差要求。在计算效率方面,使用多孔介质模型计算所需要的时间是CFD-DEM耦合算法的1320。因此,当管径比大于16.58、Re_(p)小于458时,多孔介质模型对于柱状颗粒床层计算的适用性和可靠性更高。

基于CFD-DEM的盾构泥浆管道排渣特性参数影响规律研究

盾构用泥水循环系统排渣时,其排渣特性直接影响排渣效率,进而影响盾构的施工效率。针对实际工程施工中,泥浆管道的排渣过程不能直接观察,内部泥浆和岩渣的运动规律也不明确的问题,以广州地铁7号线三模式盾构地铁隧道施工为背景,采用CFD-DEM耦合方法建立管道泥浆和岩渣耦合的数值仿真模型,通过单因素影响实验方法,分析泥浆流速、密度、黏度及管道直径等泥水循环系统关键参数对泥浆管道排渣特性的影响规律。结果表明:岩渣颗粒在管道中的运动形态大部分为在管道底部做推移运动,经过弯管部分时会对弯管外侧造成冲击,泥浆经过弯管时在内弯管处流速增大;随着泥浆流速、泥浆黏度的增加与管道直径的减小,泥浆压力损失以二次方的形式增加,泥浆压力损失随着泥浆密度的增加而线性增加。

侧喷吹减磨弯头磨损特性的CFD-DEM仿真分析

为实现煤粉颗粒在管道和喷枪内的稳定可靠输送和精确喷吹,明确不同类型弯头的磨损特性,基于Archard磨损模型采用计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法,对普通弯头、T型弯头、堵塞型弯头、球型弯头处的颗粒切向速度分布和磨损特性进行分析。研究发现:T型弯头磨损区域主要集中在颗粒床靠近弯头出口的下方,堵塞型弯头磨损区域主要集中在弯头凸棱处且磨损区域面积较小,球型弯头磨损主要集中在颗粒首次冲击区域;堵塞型弯头均布碰撞强度最大,但磨损区域较小弯头凸棱处的磨损点较为集中;堵塞型弯头最大磨损量增速最高,球型弯头最大磨损量增最小。

基于CFD-DEM耦合的不同出口形式气力集排系统分配器仿真与试验

气力集排技术具有播种效率高、广适性好、种子损伤低等优势,在研究中发现种子分配器的形式和结构参数对气力集排系统排种均匀性影响较大。本研究分别提出了M型、T型和Y型种子分配器,阐述了气力集排系统的总体结构和工作原理,以小麦为研究对象,开展了分配器内种子颗粒群体在气流作用下的受力和运动分析。基于CFD-DEM气固耦合方法,分别建立了小麦种子和分配器的仿真模型,以各行排量均匀性变异系数为指标,开展了不同出口型式对分配器性能影响的仿真试验研究,确定了M型种子分配器为最优结构。在此基础上通过单因素试验研究了不同出口管倾角、顶盖圆锥角、入口直径、圆角半径和气流输送速度对M型种子分配器内部流场均匀性的影响,确定了显著性因素及其水平范围。分别以(出口管倾角、顶盖圆锥角、圆角半径)为因素开展了3因素3水平正交试验研究,以各行排量均匀性变异系数为指标,通过响应面分析,确定了M型种子分配器最优结构参数,在西北农林科技大学试验农场开展了台架和田间验证试验。仿真和试验研究结果表明:与T型和Y型种子分配器相比,M型种子分配器显著提高了小麦种子的排种质量,排种均匀性变异系数分别降低了7.41%和3.72%。当顶盖圆锥角为117.03°,出口管倾角为59.50°圆角半径为69.46 mm时,种子分配器均匀性最佳,各行播种均匀性变异系数为6.05%。M型种子分配器仿真结果与台架和田间试验验证结果的绝对误差分别为1.00%和1.55%。该研究为气力集排系统的设计提供参考和技术支撑。

基于CFD-DEM耦合模拟的侧喷吹管道减磨弯头流动特性分析

为实现煤粉颗粒在管道和喷枪内的稳定可靠输送和精确喷吹,以气固两相物料在弯头内的流动特性为对象,采用计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法对普通弯头、T型弯头、堵塞型弯头、球型弯头内颗粒运动情况进行分析,研究发现:颗粒流经三种减磨弯头时速度会出现显著的下降,同时还会引起显著气流速度和压强的波动,上述现象以T型弯头最为显著;减磨弯头通过颗粒床中颗粒-颗粒碰撞减小颗粒对管壁的冲击,三种减磨弯头中颗粒-颗粒碰撞次数与碰撞法向力均较高,可能引发喷吹物料流动的紊乱。

基于CFD-DEM耦合的养殖工船自动投饲机的研制与实验

为解决传统的投饲设备无法满足养殖工船作业要求这一问题,研制了满足养殖工船长距离输送、大投饲量的工作需求的气力输送自动投饲机,解决了饲料颗粒堵塞、破碎率高、系统能耗高、无法进行速度控制等问题,通过流体力学和离散元耦合(CFD-DEM)的方法对饲料从落料口到出料口的运动过程模拟分析,仿真结果显示,在饲料运动初始阶段,压力损失较大,进入弯管后,饲料基本成为悬浮状态,整个流动过程中并未出现饲料堵塞,且在出口处,饲料分布均匀。在整个过程中,饲料和气流速度压力均在经过弯管后达到稳定状态。样机试验验证了设计的准确性,在实验过程中并未发现饲料堵塞现象,在风速设定为35 m/s时,电机转速在40 r/min时,满足1.5 t/h的投饲速度,通过控制电机转速来达到控制投饲速度的功能,满足养殖工船的应用场景,颗粒饲料的运动状态在经过弯管后达悬浮状态,与仿真结果一致。

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。

基于CFD-DEM耦合的动态选粉机机理研究

基于CFD-DEM耦合方法,建立工业级动态选粉机三维数值模型,探究动态选粉机内部详细的颗粒运动轨迹与选粉机理,为后续动态选粉机优化奠定基础。研究结果表明:选粉机转笼外部气流速度低,转笼内部气流速度高,这给颗粒一个向转笼内部运动的加速度。大直径颗粒质量与离心力大、加速慢,在叶片打到颗粒前,粗颗粒的速度不足以穿过动叶片。反之细颗粒质量与离心力小,加速效果明显,有足够的速度穿过动叶片。被转笼阻挡的粗颗粒下落的关键因素是气流带料能力,而不单单靠颗粒自身重力与动能损耗。

基于CFD-DEM耦合的铜闪速熔炼炉数值仿真研究

采用CFD-DEM耦合方法对阳新弘盛实际生产条件下的闪速熔炼炉进行模拟计算,对闪速炉颗粒分散,气-粒速度、温度,颗粒停留时间、反应物浓度等关键参数进行分析和研究。通过仿真结果可以直观地显示颗粒的分散情况以及生产过程,闪速熔炼炉反应塔内颗粒和气相呈锥形分散,在距反应塔顶部2米内颗粒温度迅速升高,颗粒中CuFeS_(2)质量分数急剧减小,颗粒平均在1秒内就已到达沉淀池表面,这表明颗粒在进入反应塔后迅速达到反应温度并发生反应。通过模拟获得的闪速熔炼炉各部分平均温度模与实际现场生产的测量温度基本一致,验证了本文铜闪速熔炼炉仿真模型的准确性和可靠性。