倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

液体温度对空气-水气力提升系统性能影响数值模拟研究

为探究液体温度对气力提升系统提升性能的影响,基于Eulerian多相流模型和k-ω SST湍流模型,数值模拟研究了液体温度分别为20℃、60℃、90℃时空气-水气力提升系统的提升性能变化,并将数值模拟结果与实验数据对比,两者吻合较好。结果表明:同一充气量下液体提升流量随温度的升高而增大,提升流量随时间变化最终趋于周期性波动;在低充气量下温度对空泡份额影响较小,随着充气量的增大,温度越高,空泡份额越大;当充气量在2.5m3/h附近时,气力提升系统的提升效率到达峰值,且温度越高,峰值越大。     

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.      

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

水平摆振下环形巴西果分离效应模拟研究

为了研究水平摆振下混合颗粒体系的分离行为及其机理,利用离散单元法进行数值模拟,对二元混合颗粒振动下的运动行为进行了研究,观察到圆筒形容器内一种新的分离现象,即"环形巴西果"分离。通过对比不同振动参数、不同区域内混合颗粒体系的运动特性,分析了颗粒的整体流态、能量、离心力作用以及颗粒间的力链结构强度,对混合颗粒的中心偏析、边界堆积以及整体分离行为,揭示了"环形巴西果"分离构型的内在机理。结果表明:频率为1Hz、振幅为160°时,混合颗粒出现"环形巴西果"分离现象;频率为3Hz、振幅为40°时,混合颗粒出现"巴西果"分离现象,且通过调整振幅和频率可以控制中心区域大颗粒偏析程度,实现"环形巴西果"分离构型与"巴西果"分离构型之间的转换。     

基于CFD-DEM的高炉风口回旋区形状和传热特性数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合方法,对高炉风口回旋区进行了数值模拟研究。首先通过与实验结果对比,验证了CFD-DEM模型的正确性;然后考察了不同气速对风口回旋区形状和传热特性及颗粒接触的影响。数值模拟结果表明:风口回旋区的大小和形状均受气速影响较大,在较大进气速度下,颗粒受到的曳力大于颗粒间的摩擦阻力并破坏颗粒间的桥力,形成较大尺寸的回旋区;且颗粒之间接触力较小,形成较大的空隙结构,更有利于热气体向周围扩散以强化传热。目前考察的三种气速结果表明:当气速为11m/s时,热量向下方传递速度最快;当气速为13m/s时,热量向上方传递速度最快;而当气速为15m/s时,热量向右方传递速度最快;此外,气速越大流态化越明显,颗粒间接触越少,接触力也越小。     

散体系统冲击破碎的动力学分析

针对球形粒子组成的散体系统,基于离散单元法,将球形粒子离散成弹簧-球单元系统,给出了离散单元的运动方程,建立了离散单元之间的弹性力和接触力的计算模型,并用Mohr -Coulomb型破坏准则判断粒子的破碎。运用上述方法,对圆筒内由脆性材料组成的散体系统在冲击载荷下的挤压破碎过程进行了数值模拟;计算过程中,跟踪散体系统中每个粒子在不同时刻的破碎情况;分析了散体系统冲击破碎过程数值模拟结果的主要影响因素。结果显示：数值模拟过程中需综合考虑计算精度和计算时间之间的平衡;相同的计算条件下,颗粒的初始堆积方式不同,计算得到的散体系统的破碎程度不同。

     

基于离散元法的干湿颗粒系统仿真

介绍了基于离散元法的干湿颗粒系统仿真软件DEMSIM。对于干颗粒系统,DEMSIM可以分析二维和三维颗粒系统的弹性和塑性接触碰撞过程;对于湿颗粒系统,DEMSIM采用传统的液桥模型;对于颗粒-流体系统,DEMSIM采用CFD-DEM细观耦合模型模拟。一系列典型算例的模拟分析,验证了干湿颗粒系统仿真软件DEMSIM的精度和有效性。     

三方程线性弹性-阻尼DEM模型及碰撞参数确定

建立了一种考虑法向接触力、切向接触力(含静滑动摩擦力及动滑动摩擦力)和力矩(含由切向力产生的力矩及静滚动摩擦力矩和动滚动摩擦力矩)的三方程线性弹性-阻尼离散单元模型,并将该模型应用到颗粒物料的三维数值模拟中,讨论了模型中几个重要碰撞参数--刚性系数、阻尼系数及摩擦系数的选择及其对计算结果的影响,同时也探讨了时间步长等计算参数对模拟结果的影响.为了验证算法和参数选择的正确性,本文对几个有代表性的颗粒系统进行了数值试验研究,并对计算结果进行了细致的分析,验证了新模型和参数选择的正确性.     

离散元法及其耦合算法的研究综述

介绍了离散单元法的基本理论及其研究现状,以及离散单元法与有限单元法、边界单元法、界面单元法等数值计算方法耦合的研究现状和最新进展,并讨论了离散单元法今后的发展趋势及亟待解决的问题.     

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。     

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升...     

柱状颗粒在线性剪切流场中运动的数值模拟研究

柱状颗粒是自然界和工业过程中一种普遍的颗粒形状,它在流场中的运动与球状颗粒有显著区别.论文基于直接力浸入边界法数值模拟了柱状颗粒在线性剪切流中的运动;分析了柱状颗粒周围流场参数分布,获得了作用在颗粒上的力矩变化,明确了由流体曳力和颗粒惯性力相互作用导致颗粒运动的速度和角速度的变化规律,同时考虑了颗粒雷诺数对颗粒运动的影...     

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小;增大容器宽度,临界管径有所增大;增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.     

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

大规模颗粒系统的精确缩尺和粗粒化离散元方法

计算效率是制约工程尺度大规模颗粒系统离散元计算发展的重要因素,现有的粗粒化处理方法局限于特定应用并且缺少一般的理论依据。本文采用量纲分析方法,描述了在精确缩尺系统中各物理量应当满足的缩放定律;通过在粗粒化系统和原始系统的代表性体积单元之间建立质量、动量和能量的近似守恒关系,采用多尺度的描述方法得到了粗粒化系统与原始系统之间宏观和细观两种不同尺度的缩放关系,即双尺度粗粒化模型;精确缩尺系统中得到的缩放定律及离散元接触模型处理方法,完全适用于粗粒化系统中细观颗粒层面相关物理量的缩放,通过筒仓侧壁压力和休止角两个算例对精确缩尺模型在粗粒化系统中的有效性进行了验证。     

超临界水氧化体系中固体颗粒在管道内沉积及输运特性研究

针对污泥超临界水氧化系统中存在的固体颗粒沉积及堵塞问题,以印染污泥为研究对象进行了其中固体颗粒在系统管线中沉积及输运特性的研究。首先,对污泥中可溶性无机盐在超临界水中析出的固体颗粒及不溶性固体的粒径分布进行了分析。然后,通过流体高速流动方法来解决固体颗粒在系统管线中的堵塞问题,分析了Davies公式计算超临界水中固体颗粒临界流速的可行性;并以此为依据获得了3741kg/h的印染污泥在25MPa、50℃～550℃条件下的临界流速和临界管径。最后,对不同管径管道内的不溶性固体颗粒在550℃超临界水中的流动特性进行了数值模拟;结合临界管径及流体压降的分析得出,本印染污泥系统的超临界水氧化管式反应器的最优内径是55mm,进一步表明临界管径对超临界水系统管径选择的指导意义。