壁面形态对颗粒粘附特征的影响研究
发布时间：2022-08-09 13:02
管内的固体物沉积在气相运输中是一个重要的工业现象。气流中含有的颗粒由于重力、惯性和气流湍动等作用,容易与壁面发生碰撞,从而从气体中分离出来,造成管道堵塞等危害,因此研究颗粒的粘附特征对学术和工程指导具有重大的意义。本文对0.01~50μm的颗粒粘附特征进行数值模拟,采用方形粗糙元近似地模拟粗糙壁面,选择湍流的雷诺应力模型结合双层模型模拟圆管内的流场分布及近壁区域的湍流变化。结果发现,规则的方形粗糙元使近壁面区域流场呈波浪形变化,近壁处的湍动能随粗糙度的增大而增大,相邻粗糙元之间产生很大的漩涡。采用DEM方法研究了颗粒入射参数对碰撞特征的影响,发现了摩擦系数与入射角的关系,并拟合出了摩擦系数曲线。采用随机轨道模型考察颗粒的运动情况,探讨了壁面特性、重力、气流速度对颗粒沉积情况的影响,并采用POD方法对颗粒的沉积速率进行快速预测。结果表明,粗糙度对颗粒的运动产生了很大的影响,颗粒大多与壁面碰撞从而发生粘附或反弹,但仅对小颗粒的沉积速率影响明显;影响颗粒沉积速率的因素主要有重力,惯性,运动强度和壁面的反弹作用;当粒径大于10μm时,沉积速率随气流速度的增大而减小,壁面的反弹是沉积速率减小的主...
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 气固两相流动的数值模拟概述
1.2.1 气相湍流模型概述
1.2.2 颗粒相模拟模型概述
1.2.3 颗粒壁面沉积研究现状
1.3 研究内容
第二章 气体-颗粒壁面沉积的数学模型介绍
2.1 气相湍流模型
2.1.1 气相控制方程
2.1.2 近壁处理模型
2.2 颗粒相受力分析及控制方程
2.2.1 颗粒相受力分析
2.2.2 颗粒相控制方程及求解方法
2.2.3 随机轨道模型
2.3 本章小结
第三章 颗粒与壁面的碰撞特性
3.1 碰撞模型综述
3.2 碰撞物理模型
3.3 离散元方法(DEM)
3.3.1 基本控制方程
3.3.2 程序验证
3.4 颗粒与壁面的碰撞特性
3.4.1 入射角与反射角关系特性
3.4.2 接触时间特性
3.4.3 速度恢复系数特性
3.4.4 临界速度特性
3.5 本章小结
第四章 粗糙管内微细颗粒粘附特征研究
4.1 物理模型及简化
4.2 网格划分及数值计算方法
4.2.1 网格划分
4.2.2 数值计算方法
4.2.3 边界条件
4.2.4 网格独立性考核
4.3 流场模拟结果及分析
4.3.1 速度场分布
4.3.2 雷诺应力分析
4.3.3 湍动能结构分析
4.4 颗粒轨迹模拟结果
4.5 颗粒沉积速率模拟结果
4.5.1 壁面位置对沉积速率的影响
4.5.2 重力对沉积速率的影响
4.5.3 有效表面能对沉积速率的影响
4.5.4 有效弹性模量对沉积速率的影响
4.5.5 气流速度对沉积速率的影响
4.5.6 壁面粗糙度对沉积速率的影响
4.6 本章小结
第五章 基于POD方法的微细颗粒沉积预测
5.1 POD方法综述
5.2 最佳正交分解(POD)
5.3 管内流场预测
5.3.1 样本采集
5.3.2 POD基函数
5.3.3 POD系数
5.3.4 POD插值
5.4 管内沉积预测
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]室内细颗粒物碰撞模型及碰撞结果讨论[J]. 王秀娟,李灿. 应用数学和力学. 2016(07)
[2]旋流燃烧器数值模拟中Realizable κ-ε和RSM模型的比较[J]. 崔凯,张海,王卫良,吴玉新,杨海瑞,吕俊复. 工程热物理学报. 2012(11)
[3]基于POD的埋地热油管道停输再启动模拟高效算法[J]. 张劲军,张文轲,宇波. 石油学报. 2011(01)
[4]壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究[J]. 范小苗,张鸿雁. 西安航空技术高等专科学校学报. 2007(05)
[5]随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用[J]. 刘静,徐旭. 固体火箭技术. 2006(05)
[6]三维流固两相流的颗粒群轨道柔性模型[J]. 王安麟,邵萌,梁波,马立新. 上海交通大学学报. 2005(05)
[7]流体-固体两相流的数值模拟[J]. 张政,谢灼利. 化工学报. 2001(01)
[8]旋风分离器气相流场的数值模拟[J]. 魏志军,张平. 北京理工大学学报. 2000(05)
[9]气流中颗粒阻力系数和升力系数讨论[J]. 杨保. 中国沙漠. 1998(01)
[10]在脉动气流中煤粉颗粒群运动时阻力系数的数值计算[J]. 樊建人,岑可法. 浙江大学学报. 1986(06)
硕士论文
[1]基于微粒沉降的湍流管流内近壁流场的研究[D]. 姜玲玲.北京交通大学 2009
本文编号：3672606
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 气固两相流动的数值模拟概述
1.2.1 气相湍流模型概述
1.2.2 颗粒相模拟模型概述
1.2.3 颗粒壁面沉积研究现状
1.3 研究内容
第二章 气体-颗粒壁面沉积的数学模型介绍
2.1 气相湍流模型
2.1.1 气相控制方程
2.1.2 近壁处理模型
2.2 颗粒相受力分析及控制方程
2.2.1 颗粒相受力分析
2.2.2 颗粒相控制方程及求解方法
2.2.3 随机轨道模型
2.3 本章小结
第三章 颗粒与壁面的碰撞特性
3.1 碰撞模型综述
3.2 碰撞物理模型
3.3 离散元方法(DEM)
3.3.1 基本控制方程
3.3.2 程序验证
3.4 颗粒与壁面的碰撞特性
3.4.1 入射角与反射角关系特性
3.4.2 接触时间特性
3.4.3 速度恢复系数特性
3.4.4 临界速度特性
3.5 本章小结
第四章 粗糙管内微细颗粒粘附特征研究
4.1 物理模型及简化
4.2 网格划分及数值计算方法
4.2.1 网格划分
4.2.2 数值计算方法
4.2.3 边界条件
4.2.4 网格独立性考核
4.3 流场模拟结果及分析
4.3.1 速度场分布
4.3.2 雷诺应力分析
4.3.3 湍动能结构分析
4.4 颗粒轨迹模拟结果
4.5 颗粒沉积速率模拟结果
4.5.1 壁面位置对沉积速率的影响
4.5.2 重力对沉积速率的影响
4.5.3 有效表面能对沉积速率的影响
4.5.4 有效弹性模量对沉积速率的影响
4.5.5 气流速度对沉积速率的影响
4.5.6 壁面粗糙度对沉积速率的影响
4.6 本章小结
第五章 基于POD方法的微细颗粒沉积预测
5.1 POD方法综述
5.2 最佳正交分解(POD)
5.3 管内流场预测
5.3.1 样本采集
5.3.2 POD基函数
5.3.3 POD系数
5.3.4 POD插值
5.4 管内沉积预测
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]室内细颗粒物碰撞模型及碰撞结果讨论[J]. 王秀娟,李灿. 应用数学和力学. 2016(07)
[2]旋流燃烧器数值模拟中Realizable κ-ε和RSM模型的比较[J]. 崔凯,张海,王卫良,吴玉新,杨海瑞,吕俊复. 工程热物理学报. 2012(11)
[3]基于POD的埋地热油管道停输再启动模拟高效算法[J]. 张劲军,张文轲,宇波. 石油学报. 2011(01)
[4]壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究[J]. 范小苗,张鸿雁. 西安航空技术高等专科学校学报. 2007(05)
[5]随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用[J]. 刘静,徐旭. 固体火箭技术. 2006(05)
[6]三维流固两相流的颗粒群轨道柔性模型[J]. 王安麟,邵萌,梁波,马立新. 上海交通大学学报. 2005(05)
[7]流体-固体两相流的数值模拟[J]. 张政,谢灼利. 化工学报. 2001(01)
[8]旋风分离器气相流场的数值模拟[J]. 魏志军,张平. 北京理工大学学报. 2000(05)
[9]气流中颗粒阻力系数和升力系数讨论[J]. 杨保. 中国沙漠. 1998(01)
[10]在脉动气流中煤粉颗粒群运动时阻力系数的数值计算[J]. 樊建人,岑可法. 浙江大学学报. 1986(06)
硕士论文
[1]基于微粒沉降的湍流管流内近壁流场的研究[D]. 姜玲玲.北京交通大学 2009
本文编号：3672606
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