类圆柱非规则颗粒堆积特性的离散单元法模拟研究

发布时间：2020-03-24 04:19

【摘要】：颗粒堆积问题广泛存在于地质、农业、医药、材料冶金、化学工程等诸多领域。在石油化工领域中,研究催化剂颗粒的堆积特性对于优化固定床反应器的传热传质具有重要意义。实际工业生产中非球形颗粒堆积的应用远远多于球形颗粒,但目前对非球形颗粒堆积的研究还较少。由于利用传统实验方法研究颗粒堆积获取的信息较模拟方法有限,本文基于离散单元法建立了类圆柱非规则颗粒的堆积模型,并从堆积率,配位数以及颗粒取向三方面考察了该非球形颗粒的堆积特性。首先,通过反复堆积操作得到类圆柱颗粒的随机堆积结构。然后,考察了填充初始结构、容器直径以及颗粒长径比对随机堆积结构的影响。研究表明,填充初始状态对随机堆积结构中颗粒取向分布影响较大。颗粒客观上具有水平排布趋势。小幅增加容器直径可显著降低结构径向堆积率以及平均配位数大小,增强颗粒水平排布的趋势特征。由于所研究类圆柱粒子具有凹形表面,结构有效堆积率与长径比不成绝对反比关系。随机堆积结构中,越细长的颗粒需要的配位颗粒越多;越扁平的颗粒水平排布特征越显著。最后,本文还探究了一维竖直振动对该非球形颗粒堆积结构的影响,研究发现存在两种致密化机理,一种作用于振动强度较小时,结构中的颗粒呈现水平排布趋势,最终形成低势能的紧密堆积结构;另一种作用于振动强度较大时,颗粒呈现竖直排布特点,最终形成高势能的近晶结构。
【图文】：

中国石油大学（北京）硕士专业学位论文第 1 章 绪 论1.1 颗粒物质颗粒物质是指大量不同尺寸离散颗粒的集合。颗粒物质广泛存在于自然界以及日常生活和工业生产中。其存在形式也多种多样，小到组成物质的原子、分子，大到宇宙星体，，均为不同尺度的颗粒体系存在形式，如图 1.1 所示。

图 1.2 振动条件下堆积结构的演变过程，(a) (b)分别表示初始和振动终了颗粒堆积状态；(c)~(f)显示了从初始到振动终了堆积结构顶部随时间的变化[14]Fig. 1.2 Evolution of particle packing under vibration conditionZhang 等人[15]研究了直径为 1.8mm 的等径圆柱体粒子在直径为 23mm 的圆柱形容器中的堆积结构。辅助 X 射线显微断层摄像技术和一种新颖的程序算法重构了实验中得到的堆积结构，从整体（宏观）和局部（微观）两方面来分析等径圆柱体粒子的堆积特性。实验结果表明，边壁严重影响了整体堆积率，当边壁区域堆积密度与中心区域的接近时，此时堆积结构堆积密度最大。且此时临近壁面的颗粒呈现出显著的整体有序性，如图 1.3 所示。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE65;TQ021

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本文编号：2597784