气流碎雪与输送过程的气固两相仿真分析

发布时间：2020-06-17 08:23

【摘要】：冬天大面积的道路积雪经过行人和车辆的碾压和踩踏容易形成板状压雪,不及时清除就会在反复融化凝固中形成更难清除的压实积雪和路面冰层,对行车安全、交通运输等造成不利影响。由于对路面不可避免的损伤、机械部件较高的损耗、二次污染以及工况适应性低等缺陷,机械式的除雪设备在我国的推广和开发受到很大的限制。气流射流具有能量集中,无运动部件,对路面破坏较小等特点,可以利用在清除板状压雪的作业中。而且,传统的冷吹除雪机工作方式单一,结构简单粗糙,也缺少清雪工作参数变化对清雪效果影响的模拟仿真,也没有考虑自然环境下雪粒黏聚,雪粒粗化和积雪密实化的影响。因此,开发工况适应性强、对路面损伤低、清洁高效的气流射流清雪除雪技术具有十分重要的研究价值。论文以气流碎雪和输送过程中的板状压雪力学特性和气固两相流动为研究对象,研究了气流碎雪和输送过程的流场分布特性,以及工作参数对气流碎雪和输送效果的影响,具体的研究内容和方法如下:(l)分析并总结了积雪的分类和密度,积雪的抗拉强度和抗剪切强度;描述了板状压雪的微观结构并提出了板状压雪的破坏准则,对气流射流碎雪机理进行了研究,对雪面和空中的雪粒以及雪粒聚团间的作用力进行了受力分析,分析了积雪流体化机理并建立了雪粒的运动方程。建立了雪粒的风速起动模型,并利用MATLAB模拟并分析了雪粒起动各参数间的关系,基于气流渗流效应分析了孔隙压力与渗流距离、渗流时间与渗流距离之间的关系。(2)系统地总结了两相流模拟的常用物理模型和数学模型,比较了常用CFD多相流模型和湍流模型的优缺点,基于前人研究成果提出了 CFD-DEM耦合控制方程,选定了合适的EDEM接触模型。(3)利用ANSYS功能模块进行耦合分析,建立气流碎雪的仿真模型,设置三层积雪来模拟积雪力学特性的不均匀分布,设置相应的边界条件和收敛条件进行了不同喷射高度、喷嘴孔径和入口流速下的模拟仿真,总结了全计算流域的流场分布特点,包括流场流速分布,流场全压分布以及积雪应力的径向分布情况。比较了三种工作参数变化对积雪轴向总应力分布,积雪最大变形量和最大主应变,以及对积雪气楔和气锤效应的显著性影响,并总结得到了气流碎雪的最佳工作参数。(4)基于Fluent-EDEM耦合仿真,设计了气流输雪过程的模拟仿真试验,包括模拟工况的设计,仿真模型的建立,参数设置与边界条件。总结了风场风速分布、风压分布、湍动能分布的一般规律,分析了工作参数变化对风场剪切风速和湍动能分布的影响。分析了积雪除净率和入射角度及入射高度的关系,进行了雪粒聚团颗粒群运动特性分析,总结得到了气流输雪的最佳工作参数。
【学位授予单位】：哈尔滨商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U418.41
【图文】：

爹：＿■逡逑图２．１雪花的形状逡逑前人对于积雪中雪粒的黏聚状态进行了观测，如图２．２所示是Ｗａｋａｈａｍａ邋Ｇ等人［３７］逡逑在１９７９年将湿雪置于玻璃板处于０°Ｃ和－１°Ｃ下观测，利用显微镜观测得到的雪粒黏聚情逡逑况，这可以反映雪粒黏聚状态主要是两个及三个雪粒间的黏聚，伴随着温度的突变及雪逡逑粒间含水量的变化，可以导致更多雪粒的黏聚。从图２．３中Ｋｅｅｌｅｒ邋Ｃ．Ｍ邋［３８］在２０１７年对雪逡逑样中五种深度切片的显微观测结果看出不同深度的雪粒黏聚情况，可以发现雪粒黏聚状逡逑态由双雪粒或三雪粒黏聚逐步发展到空间的链式结构，随着深度的增加，雪粒的树枝状逡逑棱边逐渐消失，雪粒的粒性特征逐渐明显，链式结构也得到明显的发展和扩张。而且，逡逑从Ｋｅｅｌｅｒ邋Ｃ．Ｍ后续的雪样拉伸强度实验也表明，空间链式结构是致密化后的积雪密度和逡逑强度得到显著提升的主要原因。逡逑板状压雪的微观结构比较复杂

逑爹：＿■逡逑图２．１雪花的形状逡逑前人对于积雪中雪粒的黏聚状态进行了观测，如图２．２所示是Ｗａｋａｈａｍａ邋Ｇ等人［３７］逡逑在１９７９年将湿雪置于玻璃板处于０°Ｃ和－１°Ｃ下观测，利用显微镜观测得到的雪粒黏聚情逡逑况，这可以反映雪粒黏聚状态主要是两个及三个雪粒间的黏聚，伴随着温度的突变及雪逡逑粒间含水量的变化，可以导致更多雪粒的黏聚。从图２．３中Ｋｅｅｌｅｒ邋Ｃ．Ｍ邋［３８］在２０１７年对雪逡逑样中五种深度切片的显微观测结果看出不同深度的雪粒黏聚情况，可以发现雪粒黏聚状逡逑态由双雪粒或三雪粒黏聚逐步发展到空间的链式结构，随着深度的增加，雪粒的树枝状逡逑棱边逐渐消失，雪粒的粒性特征逐渐明显，链式结构也得到明显的发展和扩张。而且，逡逑从Ｋｅｅｌｅｒ邋Ｃ．Ｍ后续的雪样拉伸强度实验也表明

【参考文献】

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本文编号：2717339