硬球加强模型在CFD-DEM耦合计算中的验证与分析

针对CFD-DEM耦合计算中，颗粒计算时间步的选取影响颗粒碰撞计算精度和效率的问题。本文引入插值算法，将动量定理求解颗粒碰撞前后速度进行加权平均；根据弹性理论计算得到颗粒碰撞力，进行动力学方程求解；通过速度收敛准则修正初值速度并自动调整迭代求解次数，提出一种计算精度不受计算时间步长影响，无需对碰撞过程进行精细描述的高效率和高精度的加强硬球模型。对两个颗粒匀和变速碰撞算例进行数值模拟，碰撞后速度、碰撞力和碰撞时间与理论计算误差小于4%,与采用软球碰撞模型的DEM方法相比，颗粒碰撞计算精度不受计算时间步长影响，计算效率提高36.3%和36.8%。对单个颗粒在静水中沉降进行数值模拟，计算步长取10 s～5 s,颗粒与壁面即可得到精确解，计算效率提高33.5%。通过压力损失实验验证了该模型能够准确计算颗粒体积分数小于12%条件下两相流的压力损失。     

煤粉燃烧的灰渣沉积数值模型研究

对国内 外20多年来灰渣模型研究的进展进行综述, 详细的探讨了灰渣形成、灰渣在燃烧场中的运动、灰渣 在壁面的碰撞和粘附、灰渣层的成长和强度的变化、通过灰渣层的传热过程以及灰渣层的存 在对燃烧工况的影响情况. 文章还指出, 在研究存在强烈相变的灰渣沉积情况时, 现有灰渣 模型的假设过于简单. 作为补充, 文中建立了一种颗粒壁上燃烧模型, 给出了主要的计算思 路, 用于液态排渣炉内灰渣沉积特性的数值研究.     

除尘管道内铝粉运移及沉积的数值研究

基于DPM(Discrete Phase Model)模型，研究了长直通风管道内粒径服从Rosin-Rammler 分布的铝粉的运移与沉积规律．基于颗粒与壁面的碰撞过程中的能量分析，建立了粉尘沉积-回弹模型，得出了粉尘沉积的判定准则及脱离壁面时的回弹速度．利用UDF 将沉积-回弹模型嵌入Fluent，完成了对管道内粉尘运移和沉积的数值模拟．粉尘沉积的数值结果与实验结果符合得较好，验证了所提模型的有效性．数值结果表明风速的增大使管道内粉尘浓度明显降低，管壁粉尘沉积率也降低；粒径的增大对粉尘浓度的大小影响不明显，主要影响粉尘浓度在管道内的分布情况，同时会增大粉尘在管壁的沉积率．     

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于"准稳态"方法建立的模型简化软件包SPARCK,从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型.简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致,验证了模型的有效性.采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法,对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟,计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好,表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程.在并行计算环境下,和直接积分方法相比,该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍,大大提高了计算效率.     

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.      

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性，建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型，采用守恒元与求解元方法进行数值计算，并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期，压力沿径向变化明显，与壁面碰撞有明显的反射波；燃烧转爆轰的中后期，压力沿轴向变化明显，但径向效应仍不能忽视，碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响；而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

基于离散单元法和人工神经网络的近壁颗粒动力学特征研究

颗粒与壁面的相互作用往往对颗粒流动具有显著影响. 为研究颗粒与壁面作用机理, 对滚筒内颗粒流动过程进行离散单元法(DEM)数值模拟. 基于模拟结果统计分析靠近壁面处颗粒的运动特征, 结果表明, 小摩擦系数时颗粒平动和旋转速度均近似满足正态分布, 但由于壁面影响, 摩擦系数增大时颗粒沿滚筒轴向的旋转速度偏离正态分布, 颗粒动力学理论推导壁面边界条件时应考虑速度正态分布的修正及速度脉动的各向异性. 采用人工神经网络(ANN)构建了颗粒无因次旋转温度、滑移速度和平动温度之间的函数模型, 进而可以在常规双流模型壁面边界条件中考虑颗粒旋转的影响. 基于DEM模拟及结果分析可以为壁面边界条件的理论构造和半经验修正提供基础数据和封闭模型.      

湍流边界层中固体颗粒运动的数值模拟

根据Ｌａｇｒａｎｇｅ颗粒运动微分方程及不可压缩湍流边界层中流体的壁面速度分布规律，数值求解了颗粒在湍流边界层中的运动，考虑了Ｓａｆｆｍａｎ升为对颗粒运动的影响，壁面对运动阻力的影响，给出了固体颗粒沉积边壁，在边界层外缘上所需的最小速度和最小入射角，计算结果还表明边界层对固体颗粒撞击边壁的速度和入射角有较大影响，从数值结果可可以发现一个重要现象。     

圆管内粗糙壁面处微细颗粒沉积规律研究

针对固体颗粒在圆管中的沉积问题,本文采用DEM(Discrete-Element Method)描述颗粒与壁面的碰撞特征,采用湍流雷诺应力模型结合拉格朗日随机轨道模型对0.01μm~50μm的微细颗粒在壁面的沉积特性进行了研究。考查了颗粒粒径、重力、壁面位置、雷诺数Re、有效表面能、弹性模量对沉积速率的影响。结果表明:下壁面的沉积速率最大,上壁面的最小;颗粒在下壁面的沉积速率随量纲为一的弛豫时间呈V型曲线变化;当空气平均流速为0.5m/s时,颗粒小于1μm时即可忽略重力的影响,并且随着空气流速的增大,需要考虑颗粒重力的临界直径会逐渐增大;颗粒的粘附/反弹特征对沉积有很大影响,有效表面能越大,沉积速率越大;有效弹性模量越大,沉积速率越小;当颗粒小于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而增大;当颗粒大于等于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而减小。     

非均匀颗粒材料的类固-液相变行为及本构方程

以非均匀颗粒介质为研究对象，采用三维离散元方法对其在不同密集度和剪切速率下的动 力过程进行了数值模拟，分析了其在由瞬时接触的快速流动向持续接触的准静态流动的转变 过程及其行为特点. 通过对不同材料性质下相变过渡区内颗粒材料的宏观应力、接触时间数、 配位数、团聚颗粒数量、有效摩擦系数等参量的计算，更加全面地描述了非均匀颗粒材料在 类固-液相变过程中的基本特征. 基于以上数值计算结果，建立了一个适用于颗粒材料 类固态、类液态以及其相变过程的本构方程，并通过剪切室实验结果验证了它的合理性.