风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。     

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。     

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.     

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.     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

风沙运动的电场-流场耦合模型及气固两相流数值模拟

沙尘暴和尘卷风等风沙运动的静电场是空气流场中沙粒间的碰撞摩擦带电及沙粒粒径的分层效应引起的, 本文耦合沙粒摩擦荷电模型和风沙运动气固两相流模型, 提出了离散单元法与计算流体动力学结合的数值方法. 数值模拟计算表明电荷呈中性的沙粒临界直径为300 μm; 在充分发展的水平风沙流中, 细小的沙粒带负电, 较大直径的沙粒带正电, 所模拟的沙粒带电的荷质比及水平风洞试验段的电场强度与实验测量值一致, 验证了风沙运动的电场-流场耦合模型及数值计算方法的合理性. 本文基于沙粒摩擦荷电机理的风沙运动气固两相流模型提供了理解风沙运动静电场产生的一种物理机理.     

可吸入颗粒物近壁运动的直接数值模拟

本文采用湍流直接数值模拟方法对近壁面附近直径为1,10,:100 μm的颗粒运动进行了研究。采用分布投影法进行N—S方程的求解,时间推进采用3阶Runge-Kutta法,方程空间离散采用高阶差分格式进行。数值模拟准确再现了近壁面附近的湍流流动特征,以及可吸入颗粒的运动行为。模拟出颗粒在壁面附近的聚集现象,以及不同尺寸颗粒的分布情况,为进一步研究可吸入颗粒控制技术奠定基础。     

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.     

鼓泡流化床埋管磨损量及其分布的数值研究

本文采用离散颗粒单元法对流化床内颗粒运动及其与固定埋管受热面的相互作用进行颗粒直接数值模拟,其中颗粒之间的碰撞采用Tsuji等提出的软球碰撞模型处理,而流场的计算采用大涡模拟,其亚网格应力为Smagorinsky涡黏性模型,流动工况为两维鼓泡流化床.磨损量的估计是基于祝京旭等人的埋管磨损试验研究的结论,并结合本文数值模拟的结果,揭示了流化床埋管磨损量及其分布的若干规律.     

稠密气固两相流中颗粒团运动的DEM模型研究

颗粒聚集成团是稠密两相流动中的基本现象．本文直接以颗粒团为研究对象,建立了颗粒团运动的DEM软球模型,具体给出了稠密气固两相流中颗粒团大小的计算表达式,建立了非球形颗粒团运动、接触碰撞及破碎模型,并将此模型用于模拟一循环流化床内稠密气固两相流动,得到了流化床内颗粒团详细的运动碰撞经历及浓度、粒径分布,所得结果合理,与前人实验值相符．另外,计算表明,采用颗粒团运动的DEM软球模,能使计算量有效减少,计算时间明显缩短,说明本模型可有效地用于工程意义上的稠密气固两相流问题的模拟。     

DSM-LPDF两相湍流模型及旋流两相流动的模拟

本文由流体－颗粒速度的拉氏联合概率密度函数（ＰＤＦ）输运方程出发,用Ｓｉｍｏｎｉｎ建议的Ｌａｎｇｅｖｉｎ模型封闭颗粒所遇到流体瞬时速度的条件期望项,并用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法直接求解 ＰＤＦ输运方程,将其和求解流体雷诺应力方程模型的有限差分方法结合,建立了雷诺应力－拉氏ＰＤＦ（ＤＳＭ－ＬＰＤＦ,简称ＤＬ）两相湍流模型．用此模型模拟了旋流数为０．４７的突扩旋流气粒两相流动,并与文献中ＰＤＰＡ实验和用类似于单相流动湍流模型封闭方法的时平均统一二阶矩（ＵＳＭ）模型的预报进行了对比．     

两相湍流统一色噪声法概率密度函数模型

统一色噪声近似方法对简单一维色噪声问题研究较为充分, 本文将统一色噪声法应用到高度复杂的多维气固两相湍流系统之中.首先从颗粒运动Langevin方程出发, 利用统一色噪声法获得两相湍流Fokker-Planck方程, 然后以此为基础建立颗粒轨道两阶矩模型.文中建立的新模型成功应用于后台阶两相湍流流场的数值模拟, 预报合理正确.研究表明, 对于多维两相湍流系统, 统一色噪声法仍然行之有效.     

基于自回归模型的光阱中粒子运动模拟

通过分析光阱中颗粒位移信号特性, 建立描述粒子受限布朗运动过程的自回归模型, 进而提出了一种基于自回归模型的光阱中颗粒运动信号模拟的新方法. 对半径为1 μm的粒子处于光阱刚度分别为10, 20, 50 pN/μm 光阱时的位移信号进行了模拟, 得到的模拟位移信号的自相关函数与理论值相一致. 为了进一步阐明自回归模型的有效性, 在相同光阱参数下, 分别采用自回归模型与蒙特卡罗方法模拟光阱中微粒的位移信号, 采用功率谱法分别对两种模拟方法所得的微粒位移标定光阱刚度, 结果表明自回归模型方法能够取得和蒙特卡洛法相同的精度. 因此, 本文为分析光阱中粒子的随机运动提出了一种新的模拟方法, 可以用来对光阱中的噪声及特性进行分析. 关键词： 光阱 布朗运动 信号模拟 自回归模型     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

基于水平集方法二维模型的软性磨粒两相流流场特性分析方法

两相流场特性分析是软性磨粒流精密加工方法的技术关键. 针对此问题, 利用水平集方法(LSM)结构拓扑变换原理, 建立了描述磨粒流在另一流体中运动变化的二维模型. 该模型中, 用LSM捕捉两相流之间的界面, 从而对两相流的运动情况和相关参数进行模拟仿真, 深入讨论了磨粒流加工机理. 研究表明: 以LSM原理建立的二维模型, 成功地仿真模拟了两相流相变过程; 利用k-ε湍流模型与Preston方程相结合的数值分析方法, 对流道内各区域的速度等流场特性进行讨论, 为软性磨粒流加工提供了前期基础性研究. 关键词： 水平集方法 结构化表面 软性磨粒流 k-ε湍流模型')" href="#">k-ε湍流模型     

Numerical simulation of instantaneous flow structure of swirling and non-swirling coaxial-jet particle-laden turbulence flows

A subgrid scale two-phase second-order-moment (SGS-SOM) model based on the two-fluid continuum approach is presented for the analysis of the instantaneous flow structures of swirling and non-swirling coaxial-jet particle-laden turbulence flows. Since the interaction between the two-phase subgrid scale stresses and the anisotropy of two-phase subgrid scale stresses is fully considered, it is superior to the conventional subgrid scale model on the basis of single gas phase or together with their similar forms for the particle phase for not taken these characters thoroughly into account. The swirling numbers s=0.47 and s=0 of coaxial-jet particle-laden turbulence flows (measured by M. Sommerfeld, H.H. Qiu, Detailed measurements in a swirling particulate two-phase flow by a phase Doppler anemometer, Int. J. Heat Fluid Flow 12 (1991) 20-28) are numerically simulated by large eddy simulation using this model, together with a Reynolds-averaged Navier-Stokes model using the unified second-order-moment two-phase turbulence model (RANS-USM). The instantaneous results show that the multiple recirculating gas flow structure is similar to that of single-phase swirling flows; but the particle flow structure contains less vortices. Both SGS-SOM and RANS-USM predicted that the two-phase time-averaged velocities and the root-mean-square fluctuation velocities are validated and are in good agreement with the experimental results. It is seen that for the two-phase time-averaged velocities both the models give almost the same results, hence the RANS-USM modeling is validated by large eddy simulation. For the two-phase root-mean-square fluctuation velocities the SGS-SOM results are obviously better than the RANS-USM results.     

风沙流中颗粒剪应力分析

分析了两种颗粒剪应力的定义,一种来自于颗粒黏性阻力,一种来自于颗粒相雷诺应力。通过建立三维风沙流离散颗粒模型,计算分析了这两种颗粒剪应力的差别。结果表明,除了近地面附近,这两种颗粒剪应力基本相等。而在近地面附近,来自于颗粒相雷诺应力的颗粒剪应力小于来自于颗粒黏性阻力的颗粒剪应力,这种差别的主要原因是由于在近地表而附近,颗粒碰撞会产生附加碰撞剪应力。