胶凝原油颗粒变形的数值模拟研究

在胶凝原油水力悬浮输送过程中,胶凝原油颗粒在复杂的相间作用力下发生变形。本文基于VOSET方法对胶凝原油颗粒在水力悬浮输送过程中的变形进行模拟研究,颗粒变形后的长短轴通过Image Pro Plus图像处理软件确定,变形的大小用变形度衡量。模拟结果表明,在水流的剪切作用下圆形的颗粒逐渐发生变形,变形后的原油颗粒接近椭圆形。在给定的模拟条件下,当温度分别为55℃(原油属于牛顿流体)、46℃(原油属于假塑性流体)、40℃(屈服假塑性流体,并呈现胶凝状态)时,原油颗粒的出口变形度分别为59.38%、47.29%、32.47%,胶凝原油颗粒的变形度最小。通过机理分析,明确了胶凝原油颗粒变形受流场的剪切作用、原油的屈服值和剪切稀释性共同影响。     

水-胶凝原油两相流压降特性研究

压降是影响胶凝原油水力悬浮输送系统安全运行的主要参数。本文运用量纲分析原理建立水-胶凝原油两相流压降计算关联式,并通过试验的方法确定出其四种典型流型的压降计算模型。利用该模型对压降的计算值与测试值进行比较,相对误差在17%以内。分析了含水率和混合物流速对压降的影响,结果表明:含水率对压降的影响存在一个转折点,转折点之前,对于同种流型,定流速时压降随含水率的增加而降低;转折点之后压降是流速的单值函数。     

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.     

用雷诺应力模型计算旋风分离器中气-固两相流动

针对分离器内部的复杂的三维强旋转、气-固两相湍流运动,采用雷诺应力模型(SSG),利用贴体网格技术,模拟计算了分离器内部流动,并将计算结果与实验数据进行分析、比较。分离器内的固体颗粒运动采用涉及湍流扩散影响的随机轨道模型和确定轨道模型,在流场计算的基础上,模拟了不同直径的颗粒在分离器内的运动规律及颗粒分离效率,并同理论和实验得到的数据进行了比较。     

风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

风沙运动的DPM数值模拟

采用离散颗粒模型对风沙气固两相流动进行了数值计算．在该模型中,采用体平均的Navier-Stokes方程来描述气相的运动,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,求解颗粒运动方程．采用硬球模型描述颗粒问碰撞作用．计算结果表明,沙粒平均水平速度廓线在0．02 m以上高度可以表示为按对数函数或幂函数规律增加,在0．02 m以下则发生偏离;在大于0．02 m的高度,输沙通量随高度按指数规律衰减,而在地面附近由于颗粒蠕移的影响发生偏离,这与已有文献结果一致。本文的模拟有助于风沙运动规律的研究与掌握。     

气管支气管树内气流和颗粒运动的大涡模拟

为更精确地描述真实人体呼吸道内的空气流动,明晰颗粒的运动沉积规律,本文从直接医学CT扫描得到的原始数据出发,利用图像辨识技术,重构了一个男性真人气管支气管树前三级的三维几何模型.采用大涡模拟的方法计算了非规则几何曲面结构内的气体流动现象,并在拉格朗日框架下跟踪颗粒的运动规律.数值计算得到了气流场的三维分布,以及颗粒的运动轨迹情况,结果表明现有基于Weibel的对称模型与真实人体的几何结构有较大的差异,而几何结构对流动影响较大;受非对称复杂结构影响,在不同截面的二次气流速度的分布规律不同;分叉后颗粒进入左右支气管的数量有明显的不同.     

重力驱动下运动物体在颗粒介质中的最大穿透深度

通过高速摄像的跟踪，研究了重力场中球形下落物体对松散颗粒床进行撞击并进入颗粒床内的运动过程.运用已得到的颗粒体系中运动物体的阻力模型，分析了物体质量对穿透深度的影响.研究表明，当物体与颗粒床撞击的初始速度较小时，物体在颗粒床中的最大穿透深度与物体质量呈近似线性关系. 实验得到的结果与模型符合很好. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

含尘气体Rayleigh-Taylor不稳定性诱导混合的多相浮阻力模型研究

文章首先采用单相浮阻力模型对不同加速度下Rayleigh-Taylor不稳定性诱发的物质渗透边界的演化过程进行了计算, 揭示了该混合在常加速度和变加速度情况下不同的发展规律, 并通过与实验结果的比较分析, 验证了该模型的适用性.在此基础上, 发展了多相浮阻力模型, 采用该模型对常加速度情况下含尘气体中的Rayleigh-Taylor不稳定性诱导混合进行了研究, 发现混合区宽度随着颗粒数密度和颗粒尺寸的增大而减小, 揭示了气体中所含杂质抑制混合发展的规律.      

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

三维混合沙输运数值模拟

采用计算流体力学和颗粒离散元耦合的方法模拟了三维混合沙输运过程。采用体平均的Navier-stokes方程来描述气相运动,考虑了气相和颗粒相的相互作用。颗粒运动通过求解牛顿运动方程来求解,采用硬球模型描述颗粒和颗粒及颗粒和壁面的碰撞。本模型中,颗粒运动是三维的而气相运动是二维的。计算结果表明:总输沙率沿高度方向在大于2cm以上按照指数衰减,在2 cm以下则偏大;各粒径颗粒具有不同的输沙率分布,粗粒径颗粒按指数规律衰减,其它粒径颗粒输沙率随高度先指数增加后减少;各粒径颗粒平均水平速度随高度对数函数增加且同高度时随粒径增大而减小,1 cm高度以下则相反;沙粒平均粒径沿高度线性递减,2 cm以下粒径偏大。     

激光熔覆中金属粉末粒子与激光相互作用模型

为了对同轴激光熔覆过程中运动的金属粉末粒子的速度和温度进行理论分析,并研究各工艺参量的影响,建立了运动中金属粉末粒子的运动模型和热模型.模拟结果表明,粉嘴几何尺寸、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子运动行为的重要因素;粉嘴几何尺寸、激光焦点位置、激光发散角、激光功率、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子热行为的重要因素.在相同的工艺参量下(粉嘴出口内径r=2 mm,粉嘴倾角α=60°,初始气流速度v0=0.8 m/s),基于数字粒子图像测速(DPIV)技术,对316L不锈钢粉末粒子运动模型进行了实验验证.结果表明,运动理论模型是可靠的.该模型是掌握同轴激光熔覆过程中金属粉末粒子运动行为的有效工具;同时,热模型也是分析粉末粒子温度随不同参量变化的重要工具.     

火灾烟雾颗粒凝并分形特性研究

火灾烟雾颗粒因布朗运动由初期的主粒子凝并形成大颗粒的凝团结构，其外形呈现出分形特征，根据分形理论对火灾烟雾颗粒凝团结构进行分析研究，采用场发射扫描电镜对多种材料的烟雾颗粒图像进行测试，通过对烟雾凝团图像进行处理，获得了火灾探测中常见的多种材料的分形维数和分形系数，给出了烟雾颗粒的主粒子粒径，并对其影响因素进行了对比分析，为火灾烟雾探测中颗粒凝并分形特性研究提供有益的探索. 关键词： 火灾 烟雾 颗粒 凝并 分形     

基于热泳的气相合成纳米颗粒多场联合测量

在气相燃烧合成纳米颗粒过程中,温度分布对化学反应、颗粒的团聚和烧结有重要作用;速度分布对前驱体和颗粒的输运、颗粒的温度经历效应和停留时间有不可忽视的影响。为了研究纳米颗粒在火焰中形成和演变的过程以及化学反应和颗粒运动所依赖的温度分布、速度分布,本文在传统热泳取样的基础上提出了一种新的热泳取样-电镜分析方法。该方法在火焰内部同一测点采用热电偶测温和两次时间间隔不同的热泳取样,通过电子显微镜对样品的颗粒沉积状态进行统计和分析,能够得到火焰的温度分布、流动速度分布、颗粒体积分数和颗粒尺度分布。     

颗粒与高频感应热等离子体流的迭代计算

用完全二维自洽模型计算等离子体的速度场与温度场，用颗粒轨迹模型计算颗粒的运动轨迹与加热历程，但在等离子体的连续、动量和能量控制方程中，增加一项由于颗粒直径、运动速度及能焓的变化而引起的源项，计及颗粒的运动与加热对等离子体的速度场与温度场的影响；在颗粒的运动轨迹与加热历程计算中，考虑流体阻力和热泳力对颗粒运动与加热的影响；并在等离子体的速度场与温度场和颗粒的运动与加热之间进行迭代计算。通过对铝颗粒与     

微细颗粒碰撞作用规律的数值模拟

通过实验和数值模拟方法,对微细颗粒（直径小于100 μm）碰撞规律进行研究.首先采用离散元模拟,基于改进的硬球模型,探索在流场作用下,微细颗粒的初始速度、表面能、尺寸、质量浓度和风速对微细颗粒之间的结合性碰撞及非结合性碰撞的影响,同时考虑微细颗粒团聚及沉降的物理运移过程,得出不同初始条件下微细颗粒碰撞频率的演化规律.最后进行物理实验,发现模拟得到的碰撞频率与实验得到的微细颗粒自沉降特征相一致.     

后效期火药燃气加速弹丸的数值研究

 弹丸出膛后受高压火药燃气作用将继续加速并达到最大速度,后效期内弹丸增速大小及增速规律对于武器系统的设计和射击精度等具有重要的影响。采用基于动网格的有限体积方法,对不同装药量、弹丸质量和口径等9种条件下的发射过程进行了数值模拟,讨论了弹丸出膛后的受力状况和运动过程,对最大速度出现的时间、位置和增速量及其变化特点、影响因素等进行了详细的分析。计算结果显示,后效期弹丸增速率最大可超过3%,且加速过程受弹丸质量和装药量的影响很小。     

考虑热对流的椭圆颗粒沉降规律的研究

基于双分布格子波尔兹曼模型研究了包含热对流的二维椭圆颗粒在竖直管道内的沉降问题,分析了热对流对沉降规律的影响。根据椭圆颗粒运动行为的不同,划分了四个格拉晓夫数区间,即沿管道中心线做周期性振荡、偏离管道中心线稳定沉降、沿管道中心线做不规则周期性振荡和偏离管道中心线做周期性振荡。在颗粒沉降过程中,强制对流、自然对流和壁面效应三者相互竞争,共同决定颗粒的运动行为。     

突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉一拉格朗日数值模拟方法(DPM),对水平突扩圆管中液固两相流固体颗粒的碰撞过程进行了数值计算.在模型中,对液相采用欧拉法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟.采用硬球模型描述颗粒间的碰撞作用.计算结果表明,该模型可以真实地模拟液固两相流中固体颗粒运动的动态变化过程以及颗粒的非均匀分布特征,从单颗粒层次上提供颗粒的运动信息,这有助于深入研究液固两相流中固体颗粒的运动规律.     

微尺度稀薄效应下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann模型,对竖直细长微通道内颗粒自由沉降过程进行模拟,分析气体稀薄效应、初始位置以及颗粒间相互作用对微颗粒沉降特性的影响.研究表明：随Knudsen数增大,微通道内气体稀薄效应增强,颗粒表面气体滑移速度增大,气相流体有效粘度减小,颗粒相同运动状态下受到气体阻力相应减小,颗粒沉降平衡速度明显增大;不同初始位置颗粒沉降过程存在明显差异,初始位置偏离中心线颗粒将发生水平方向位移且呈振荡趋势,最终稳定于中心线平衡位置;在微尺度双颗粒沉降DKT现象过程中,气体稀薄效应影响颗粒运动特性,后颗粒跟随过程明显增长.