基复杂粗糙壁面颗粒趋壁特性的CFD-DEM数值模拟

发布时间：2021-07-07 19:58

　　细颗粒物沉积现象在工业生产和环境保护中发挥着重要作用,如通风系统、污染物控制和工业反应器设计。上述工艺所涉及的壁面或多或少存在粗糙结构。由于连续运行和长时间暴露在空气表面的缘故,使设备表面存在缺陷,例如裂缝和变形。颗粒沉积在壁面上导致设备工作效率降低,严重时甚至损坏设备。因此,颗粒沉积行为引起了国内外学者的广泛关注。颗粒沉积是一种非常复杂的现象,尤其是在粗糙的表面上,颗粒的运动受到许多因素的影响,如颗粒的性质、壁的形态和流动特性等。气流携带颗粒在壁面流动时,在重力沉降和气体湍流的共同作用下颗粒会倾向于向壁面移动并沉积。此外,粗糙壁面不规则的波峰和波谷增加了壁面附近的气体扰动,加速了颗粒与壁面之间的相互作用。因此,综合考虑颗粒间以及颗粒与壁面的碰撞、回弹、沉积等运动对阐明颗粒沉积机理具有重要意义。本文采用计算流体力学与离散单元法耦合（CFD-DEM）对气固两相流运动进行模拟。气相采用雷诺应力模型和近壁面两层模型预测流道内近壁面流动状况,颗粒相采用离散单元法中软球模型,根据牛顿第二定律跟踪颗粒运动情况。忽略颗粒对流体的影响,仅考虑颗粒间、颗粒与壁面、气体对颗粒的三向耦合。首先对细颗粒颗粒粒... 

【文章来源】：东北电力大学吉林省

【文章页数】：58 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图２－２接触力模型系统??颗粒在相互碰撞中会受到切向力和法向力可由下式表示：??

?第２章气固两相流数值算法????所受到的流体力主要是由粘性剪切流导致的，包括空气曳力外和剪切提升力ＦＬ。如图２－３??所示，考虑球形颗粒与光滑壁面接触时的受力情况。图中放大颗粒与壁面接触的半径尺寸。??简单的力平衡模型认为：空气流场中颗粒脱离壁面是由于流体力的法相分量能够克服粘附??力与赫兹力的合理和重力。近壁面附近的空气速度可由平均值和脉动分量来表示，颗粒受??到的流体力也由平均值（剪切层）和脉动分量（粘性结构层）总和计算。??个心??ｖ??、??、??、??Ｖ??§Ｆ〇?Ｆ?ａ??１？霉夢??．■－?、??图２－３沉积于壁面上颗粒受力??为方便比较，将各项力转换为无量纲形式，即Ｆ表示为，。??Ｆ??Ｆ＋?＝丁?（２－４２）??ｖ?ｐ??引入无量纲距离、无量纲半径分别为：??ｙ＋?＝，?（２－４３）??（２－４４）??Ｖ??Ｏ’Ｎｉｌｌｌ４６：！提出了粘性流体中球形颗粒的线性化Ｎ－Ｓ方程分析解：??匕＝師尝０?（２－４５）??式中：＜／／考虑壁面效应的Ｓｔｏｋｅｓ曳力修正系数，为１．７００９。得到无量纲曳力：??Ｋ＝３２．０４（ｒ；）２?（２－４６）??ｓａｆｆｍａｎ提出了针对小颗粒在低速剪切流中的平均提升力：??Ｆ一”?—?（２－４７）??粘性剪切层内平均提升力为：??ｄ？＃＿?＝?６．４８（ｒ；）３?（２－４８）??脉动剪切层与主流速度振幅有关的无量纲提升力：??Ｆ；｝＝０Ｍ（ｒ；）４?（２－４９）??－１３－??

（ｒ；）３?（２－５０）??ＪＫＲ模型中提出了将颗粒拉离壁面的力：??ＦＰ〇＝＾ｒｒｐ?（２－５１）??考虑本文计算条件与文献的数据总结，得到无量纲表面力：??；？＋?２６３?＋??ＦＰ〇＝－＾ｒＰ?（２－５２）??ｕ＊??壁面与颗粒间摩擦系数为ｙ？ｆ，考虑颗粒在壁面上滑动条件：??Ｆｎ＾ＭＦ：＋Ｇ＋￣ＦＤ?（２－５３）??颗粒在壁面上滚动条件：??Ｆ＋Ｄ＞０．５ｉｒ＾－｛Ｆ；ｏ＋Ｇ＋－Ｆｌ）?（２－５４）??ｒＰ??各力的变化趋势随无量纲半径变化如图２－４所示，可以发现，对于无量纲半径小于１??的颗粒，由于提升力相对于表面力很小，颗粒沉积于壁面后气流难以将颗粒拉离壁面，而??此时颗粒的滚动和滑动更容易实现。??？?１０６????／Ｖ’?．??「?夕＊？＊＊＾＊？?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｆｏｒｃｅ??，欲’?Ｄｒａｇ?ｆｏｒｃｅ??「＾＊＊＾５＊＊＊?Ｌｉｆｔｉｎｇ?ｆｏｒｃｅ??Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ?ｌｉｆｔｉｎｇ?ｆｏｒｃｅ??ｒ??１０－５０??．?ｘ?．?，?，?．?＾?．１?．?．?，？，？？＜?．?．?＾?，?ｃ?，?．?１??ｉ〇＊２?ｉ?〇＇５?ｉｏ°?ｉｏ＊??ｒ?＋??图２－４颗粒受力随无量纲半径变化??２．４计算方法及模型验证??本文应用基于压力的分离式算法进行计算，采用有限容积法对连续相控制方程进行离??散，应用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法对颗粒相进行计算。压力与速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥ算法，对流??项采用二阶迎风格式进行离散，扩散项釆用中心差分格式离散。其中合理的时间步长对颗??粒的碰撞、挤压、变形、反弹有很大影响。若时间步长

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]气溶胶颗粒在通风空调风管系统中沉降规律的研究[D]. 付峥嵘.湖南大学 2007

硕士论文
[1]基于完整微凸体模型的粗糙表面接触性能研究[D]. 宋亚飞.西安理工大学 2019
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[3]基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究[D]. 周吴军.湖南大学 2009
[4]气溶胶颗粒在矩形风管系统中沉降特性的实验研究[D]. 张丽薇.湖南大学 2007



本文编号：3270269