非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性. 结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度. 弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主. 弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关. 运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小. 随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性. 颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞. 随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.      

90°弯管内气固两相湍流流动的数值研究

利用两相湍流KET模型对90°弯管内气固两相湍流流动进行了数值模拟,得到了弯管内两相流动的一些规律,并提出用颗粒动理学压力来定性表征弯管内磨损严重部位,为管道抗磨损设计提供了一定的理论依据。     

不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究

研究了不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型分布形态及流动特性. 通过建立90°弯管内气液两相流流动的三维数学物理模型,采用VOF 方法,对10-6g₀, 10-4g₀, 10-2g₀, 1g₀ (g₀= 9.8m/s2) 重力下的90°弯管内气液两相流流型分布特征、截面空隙率、滑速比及气相尾部最大斜向角进行了比较分析. 研究结果表明:所建立的模型能够正确模拟不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型和截面空隙率,并得到气液两相弯管二次流与单相二次流的不同特性. 随着重力水平的提高,90°弯管对气相流型的影响作用减弱,气相整体向弯管内侧积聚靠拢,弯管对尾部的斜向作用减弱.      

大弯径比挠性弯管内气固两相流冲蚀特性研究

以90°大弯径比挠性弯管为研究对象，基于离散相模型和General冲蚀模型，利用Fluent数值仿真软件，开展不同工况下气相进口速度、夹带固体颗粒质量流量、弯管肋条及弯径比等影响因素对弯管内气固两相流冲蚀特性的数值模拟研究。研究结果表明：弯管纵切面气固两相流场速度分布存在分离现象；弯管的最大冲蚀速率随气相进口速度的增长呈指数关系，随颗粒质量流量的增长呈线性关系，随肋条数目的增长先减小后略微增大最后趋于稳定；大弯径比弯管内部流场二次流强度小且肋条的存在使弯管的耐冲蚀性能得到一定的提升；弯管冲蚀最严重区域发生在弯管沿流动方向偏转26°左右夹角的区域且呈现出V型冲蚀形貌，这种现象是由于弯管处独特的颗粒运动轨迹决定的；在弯管沿流动方向60°～80°夹角范围内出现沟槽状冲蚀形貌，它是由于颗粒在弯管内的二次及多次碰撞。     

煤粉在直管和弯管中输送的压力损失

本文是在分析颗粒运动的基础上,应用量纲分析,得到气粉在管内流动时的摩擦系数关系式.试验是在负压式气粉试验系统中进行,测量气粉在输送管道内的压差后,得到雷诺数在4.68×10~4-2.41×10~5、因气质量比在0.1—0.9的范围内,煤粉在垂直管、水平管和90°弯管内的摩擦系数λ_s 和压力降的经验计算式.     

液固两相流冲洗油管道的冲蚀磨损特性数值模拟及分析

以液固两相流冲洗油管道为研究对象,采用Realizableκ-ε湍流模型、随机轨道模型,结合液固两相流冲蚀磨损试验,建立修正的冲蚀磨损数理模型,数值预测典型工况下冲洗油管道内速度、压力、冲蚀磨损率等流动参数分布情况,分析了冲蚀磨损的形成机制.研究结果表明:受曲率半径影响,冲洗油管道冲蚀磨损速率随曲率半径的增加而减小;由于颗粒惯性及管内二次流影响,弯头中间区域外侧壁面和出口直管段内侧面磨损较为严重,三通管件的最大冲蚀磨损率位于孔口处,数值预测结果与失效解剖案例吻合.本文建立的冲蚀磨损定量预测方法,适用于压力管道的风险评定及寿命预测.     

气固两相流场的湍流颗粒浓度理论模型

本文进行了气固两相流动颗粒湍流扩散现象的理论分析，提出了颗粒湍流扩散系数和气流弥散效应二个颗粒湍流模化新概念，在此基础上建立了气固两相流场湍流颗粒浓度模型。理论模型包括离心力和其它外加力场作用下颗粒运动和浓度分布的计算方法。运用湍流颗粒浓度模型，对直管气固两相流动、受限射流气固两相流动和９０°弯管气固两相流动等三种流动做了数值模拟，计算获得颗粒速度、颗粒浓度等主要流动参数。讨论了湍流颗粒浓度模型的适用性。     

离心泵叶轮内密相液固两相湍流的数值模拟

利用作者建立的描述密相液固两相湍流的 KET模型和推导的基本控制方程组 ,在处理壁面边界条件时考虑了颗粒和叶片的相互碰撞作用 ,对离心泵叶轮内密相液固两相流动进行了数值模拟 ,得到了泵叶轮内两相流动的一些规律 ,为液固两相流泵的设计提供了一定的理论依据。     

稠密气固两相流各向异性颗粒相矩方法

基于气体分子动力学和颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型.应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭.考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型.采用Koch等计算方法模拟气固脉动速度关联矩.考虑气体-颗粒间相互作用,建立稠密气体-颗粒流动模型.数值模拟提升管内气固两相流动特性,模拟结果表明提升管内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性.预测颗粒速度、浓度和颗粒脉动速度二阶矩与Tartan等实测结果相吻合.模拟结果表明轴向颗粒速度脉动强度约为平均颗粒相脉动强度的1.5倍,轴向颗粒脉动能大约是径向颗粒脉动能3.0倍.     

基于颗粒湍流和颗粒碰撞相互作用规律的湍流模型的研究

颗粒湍流和颗粒碰撞的相互作用规律是两相流动中的核心问题。用颗粒湍流模型和颗粒碰撞的动力论模型叠加的方法在研究两相湍流流动方面取得了一定的成效,但是还有待改进。本文基于颗粒湍流形成大尺度脉动和颗粒间碰撞引起小尺度脉动的概念,从双流体模型出发,建立了两相流动的双尺度kp-pε两相湍流模型。利用该模型对下行床和突扩室内的气固...     

气液两相流动与固壁相互作用耦合求解的研究

气液两相流动与固壁相互作用的研究是液滴撞击壁面运动研究的重要基础.以结合了VOF和Level Set两种方法优点的用于气液相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和利用唯象分析方法建立的能够反映接触角滞后性及壁面性质对润湿过程影响的壁面润湿模型为基础,提出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解流程,给出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解过程中接触线速度的计算方法及边界条件的确定方法.通过与已有实验结果的对比,对提出的气液两相流动与固壁相互作用耦合求解方法的有效性进行了验证.     

粗糙颗粒动理学及稠密气固两相流动的数值模拟

考虑颗粒碰撞过程中摩擦作用,给出了粗糙颗粒碰撞动力学.引入颗粒相拟总温来表征颗粒平动和转动脉动能量的特征.基于气体分子运动论,建立颗粒碰撞中平动和旋转共同作用的粗糙颗粒动理学,给出了颗粒相压力和黏度等输运参数计算模型.运用基于颗粒动理学的欧拉-欧拉气固两相流模型,数值模拟了流化床内气体颗粒两相流动特性,分析了颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响.模拟得到的流化床内径向颗粒浓度和提升管内颗粒轴向速度与他人实验结果相吻合.模拟结果表明随着颗粒浓度的增加,颗粒相压力和能量耗散逐渐增加,而颗粒拟总温先增加后下降.随着颗粒粗糙度系数的增加,床内平均颗粒相拟总温和能量耗散增加,表明颗粒旋转产生的摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响床内气体-颗粒两相宏观流动特性.      

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质，且工作在高温、高压差环境中，极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效，影响其服役寿命. 采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理，以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律，并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果. 研究结果显示，煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域；管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关；管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧，而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系，这与颗粒受力作用有关；弯管优化分析显示，涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率，减缓弯管的冲蚀磨损.      

可燃气体非稳定爆轰波通过90°圆弯管传播特性的实验研究

对丙烷-氧气-空气的混合气体非稳定爆轰波通过90°圆弯管传播特性的变化进行了初步的实验研究.同时实验研究了预混气体的初始浓度和初始压力对非稳定爆轰波经过弯管前后传播特性的影响.实验结果表明,可燃气体非稳定爆轰波经过90°圆弯管后传播速度和压力与直管中相比有了显著地提高.这一研究结果对于工业上安全使用管道阻火器具有重要的实际意义.     

水平流动边界层内气固相间作用的试验研究

应用三维粒子动态分析仪（threedimensionalparticledynamicsanalyzer）,测量了含有230μm颗粒的气固两相水平流的特性,特别是壁面边界层内的两相流动特性．结果表明颗粒载荷比（质量流率）对相间作用有较大影响,随颗粒流率的增加颗粒对气流平均速度和湍流的影响增大,颗粒使气流速度边界展变薄．颗粒和气流相互作用在不同方向上呈各向异性,颗粒对气流垂直方向的脉动影响较大．颗粒与湍流边界层气流的作用行为大致可以分成三个区域：贴壁区、中间区和外流区．     

离散型湍流多相流动的研究进展和需求

离散型多相流动,指气体-颗粒(气-固)、液体-颗粒(液-固)、液体-气泡、气体-液雾以及气泡-液体-颗粒等两相或三相流动.这种类型的多相流动广泛存在于能源, 航天和航空, 化工和冶金,交通运输, 水利, 核能等领域.本文阐述了离散型多相流动的国内外基础研究,包括颗粒/液滴/气泡在流场中受流体动力作用力的研究, 颗粒-颗粒,液滴-液滴,气泡-气泡之间以及颗粒/液滴和壁面之间碰撞和聚集规律的研究,颗粒-气体和气泡-液体湍流相互作用的研究, 和数值模拟的研究,包括多相流动的雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟的研究进展.最后, 归纳了目前尚待研究的需求.      

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

定床弯道内水沙两相运动的数值模拟

在适体同位网格中采用非正交曲线坐标系下的三维k-ε-kp固液两相双流体湍流模型研究弯道内水流和悬浮泥沙运动,主要计算了试验室S型水槽内清水流动的三维流场、120°弯道内水沙两相流动中底沙与底流的运动轨迹以及S型水槽内水沙两相流动的两相流场和泥沙浓度场. 对于S型水槽内清水流动,数值结果与试验结果吻合良好. 120°弯道内水沙两相流动中固液两相的运动轨迹在弯道直线段基本重合,在弯道内泥沙轨迹逐步偏离水体轨迹,其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 从S型水槽内水沙两相流动计算结果中发现泥沙纵向流速在壁面附近比水流纵向速度大,在远离壁面区域比水流纵向速度小;弯道内泥沙横向流速比水流横向流速小;垂向流速在直线段和泥沙沉速相当,在弯道内受螺旋水流影响而变化;两相流速差别随泥沙粒径增大而变大;泥沙浓度呈现下浓上稀的分布,在弯道内横向断面上呈现凸岸大凹岸小的分布,泥沙浓度随泥沙粒径增大而减小.      

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态,并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力.对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力.考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响,本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型.该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数;切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法.为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性,对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟,并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证.计算表明,考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律.在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响,为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.