冰晶颗粒的浮升融化过程

发布时间：2021-05-28 10:18

　　为了更好地理解相变浆体的流动与热质传递过程,对冰晶颗粒在水中的浮升融化过程进行了数值计算研究.计算模型考虑了多种作用力下冰晶颗粒的自由浮升过程,并通过焓-多孔介质法对颗粒浮升中伴随的融化过程进行了描述.利用该模型研究了流体与颗粒的换热温差以及颗粒内部过冷对其非均匀浮升融化过程的影响,获得了颗粒浮升融化过程中的形态变化以及涉及到的流动与传热特性.计算结果表明,冰晶颗粒内部的过冷度对颗粒的融化有极大的阻碍作用. 

【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(05)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

物理模型示意图

(m p +C A ρ f V p )dv p /dt= ? ?? ??gV p (ρ f -ρ p )-C D πd 2 ρ f v p 2 /8- ? ?? ??C Η d 2 πρ f μ f ∫ 0 t ?v p /? t ′ t- t ′ d t ′ ?????? ??? (8)式中:mp,d,Vp分别为颗粒的质量、直径、体积;CD为无量纲的曳力系数,这里采用文献[13]的经验关系式;t′为积分变量;CA和CH分别为虚质量力常数和Basset力常数[14];g为重力加速度.

冰晶颗粒在浮升过程中受到多个力的作用,其中虚质量力和Basset力是由于颗粒从静止状态突然开始加速运动而产生的,只在颗粒初始的加速阶段对颗粒的运动状态有较大的影响.颗粒从初始状态到融化结束时刻的速度变化曲线如图3所示.在初始阶段,冰晶颗粒由于运动速度小,所受曳力也比较小,而颗粒由于融化较少,体积变化不大,因此颗粒所受浮升力(为方便分析,定义浮升力为重力与浮力的合力)起主要作用,浮升力所产生的加速度较大.随着颗粒浮升速度的增加,颗粒所受曳力逐渐增大,且颗粒所受浮升力由于颗粒的融化而减小,所以颗粒浮升的加速度逐渐减小.当t=0.479 s时,颗粒所受的浮升力与其他力相平衡,颗粒的加速度为0,其浮升速度达到最大值.在此时刻之后,颗粒的浮升速度开始逐渐减小.这是由于此时颗粒的运动速度较大,即所受流体作用的曳力起主要作用,而颗粒由于融化导致体积减小,使得颗粒所受的浮升力小于曳力.因此颗粒虽然仍向上浮升,但加速度方向与运动方向相反,颗粒逐渐减速.随着颗粒的持续融化,浮升速度由于冰晶颗粒的体积越来越小而持续降低,直至冰晶颗粒融化完全,颗粒运动速度减小至0.为了更好地理解颗粒在浮升融化过程中的运动及非均匀融化过程,在工况1条件下,液相场以及温度场分布如图4所示,其中yflo为当前时刻冰晶颗粒向上浮升的距离.取t*=0.015,0.345,0.895时的分布进行对比.相应时刻的速度矢量场分布及其局部放大图如图5所示,其中v*为无量纲速度,v*=v/vp.

【参考文献】：
期刊论文
[1]溶解椭圆颗粒沉降的介观尺度数值模拟[J]. 刘汉涛,江山,王艳华,王婵娟,李海桥.  物理学报. 2015(11)



本文编号：3208078