杆状颗粒离散单元模型及流动与传热特性研究
发布时间：2021-04-12 21:39
作为生物质最主要的存在形态,杆状颗粒流动与传热机制的研究是开发生物质利用新工艺及优化现有工艺的基础。但由于杆状颗粒具有长轴及方向性,其流动、混合、传热等特性以及与流体之间的作用十分复杂。更好地理解和掌握杆状颗粒的流动、混合特性及传热机制,有助于更好地控制及优化相关的工业过程。滚筒干燥和流化床燃烧是生物质利用的重要单元操作,但目前关于杆状颗粒的流化特性及其中控制机制的研究仍然不足,关于杆状颗粒在流化床、滚筒等设备内的流动及混合特性研究仍然缺乏,而关于杆状颗粒间以及杆状颗粒与气体间复杂的传热行为更是迄今未见报道。因此,开展针对杆状颗粒的应用基础研究,具有十分重要的科学意义和工业应用价值。目前,随着计算机技术的快速发展,数值模拟已成为研究颗粒系统的重要工具。其中,基于颗粒轨道方法的离散单元法（Discrete Element Method,DEM）是应用较为广泛的一种数值模拟方法。本文即聚焦于非球形离散单元法所存在的一些技术难题,针对性的提出解决方案。随后,把该方法用于杆状颗粒系统的基础研究中,以探索杆状颗粒的流动、混合、传热特性及其中的控制机制。主要研究内容包括:（1）建立了可精确描述杆状...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物质流化床气化炉示意图[1]
捎孟咝缘??阻尼模型所预测的宏观颗粒体系运动特性与真实物理过程基本相同，故线性弹簧-阻尼模型依然是目前应用最为广泛的模型[4]。但在现有的大部分模型中，并没有考虑到滚动摩擦的影响。相关研究已表明，滚动摩擦在许多过程中的影响不可忽略，如颗粒的堆积过程等[10]。因此，人们又将滚动摩擦引入到DEM模型中[10]，该类模型不仅考虑了法向力和切向力及其力矩，还包含了由滚动摩擦引起的滚动摩擦力矩，故其目前在DEM中是较为完善的模型之一。在该类模型中，每一种作用力和力矩都可简化为一个弹簧、一个阻尼和一个滑动器，如图1.2所示，可通过四组弹性-阻尼方程进行求解，故该类模型可称为四方程模型。图1.2四方程模型[4]DEM还可以和有限元法（FiniteElementMethod）、计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）等方法结合用以解决各种问题。其中，将DEM与计算流体力学相结合便是我们通常所说的CFD-DEM耦合模型，可用于模拟颗粒-流体两相体系。在CFD-DEM
Р┦垦?宦畚男髀?4模型中，CFD用于流体相的求解，DEM用于颗粒相的求解，两者通过相应的模型进行质量、动量及能量等的传递来实现耦合，进而解决颗粒-流体系统的数值模拟问题。CFD-DEM耦合模型是一种普遍适用的模拟流-固两相体系的方法，该模型所需的经验参数较少，无论是颗粒部分还是流体部分，都可以使用更为符合自身特点的模型进行求解，颗粒的形状、粒径分布、物理性质等都可以较为方便地考虑进来，故其相较于其他模型（如双流体模型[11]），可较为准确地预测各种流-固两相体系中颗粒的运动及其与流场的相互影响等。图1.3CFD与DEM间的信息传递与耦合过程[12]CFD-DEM方法最早由Tsuji等[13]于上世纪90年代提出，其计算流程大致为：如图1.3所示，在每一时间步内，DEM提供颗粒位置、速度等颗粒尺度的信息；随后，根据上述信息可计算出CFD单元的空隙率（ε）及颗粒相对流体相的作用力（即Fpf）等参数；接着，根据上述参数，通过CFD即可求解流体的流场，进而计算出流体相对单个颗粒的作用力（即fpf）；最后，把上述作用力信息传递至DEM用以求解颗粒在下一时间步的运动。其中，颗粒相与流体相间的作用力一般主要考虑曳力，目前使用较多的主要是两种基于实验建立的半经验曳力模型，即Ergun和Wen&Yu模型[14,15]与DiFelice模型[16]。CFD-DEM模型在早期发展过程中存在诸多不足，但通过众多研究人员的努力，该模型日趋成熟[17-19]。例如，早期人们就流体运动方程（即Navier-Stokes方程）中压降的处理方式存在分歧：一种认为压降应同时作用于流体相与颗粒相（ModelA），另一种认为压降应只作用于流体相（ModelB）[20]。后来随着研究的深入，人们发现在模拟单组份颗粒体系时两者的差别不大[21]，但在模拟二元颗粒体系时ModelB的模拟结果应更为准确[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷动流化床传热特性的CFD-DEM模拟[J]. 卜昌盛,王昕晔,张居兵,朴桂林. 动力工程学报. 2017(11)
[2]柱状生物质颗粒在回转干馏炉中的运动及导热特性[J]. 张立栋,韦庆文,秦宏,王擎. 化工进展. 2017(11)
[3]柱状生物质颗粒与钢球颗粒在滚筒中的混合特性[J]. 张立栋,韦庆文,秦宏,王擎. 化工进展. 2016(10)
[4]滚筒冷渣器内颗粒床运动状态的离散单元法模拟[J]. 白珏明,刘柏谦,白珏莹,谭培来. 热力发电. 2016(02)
[5]颗粒在圆形偏心滚筒内的运动模式[J]. 张立栋,李连好,程硕,李晓博,秦宏,王擎,李少华. 化工进展. 2015(09)
[6]颗粒物质混合行为的离散单元法研究[J]. 戚华彪,周光正,于福海,葛蔚,李静海. 化学进展. 2015(01)
[7]离散单元法及其在流态化领域的应用[J]. 周池楼,赵永志. 化工学报. 2014(07)
[8]砌体结构破坏倒塌过程的离散单元模拟[J]. 赵永志,陈友川,郑津洋. 计算力学学报. 2011(04)
[9]阻尼对水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式形成的影响[J]. 高红利,赵永志,刘格思,陈友川,郑津洋. 物理学报. 2011(07)
[10]矩形喷动床混合特性的三维数值研究[J]. 朱润孺,朱卫兵,邢力超,孙巧群. 中国电机工程学报. 2010(17)
硕士论文
[1]双锥型混合器内颗粒混合及增混机理研究[D]. 江茂强.浙江大学 2010
本文编号：3134026
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物质流化床气化炉示意图[1]
捎孟咝缘??阻尼模型所预测的宏观颗粒体系运动特性与真实物理过程基本相同，故线性弹簧-阻尼模型依然是目前应用最为广泛的模型[4]。但在现有的大部分模型中，并没有考虑到滚动摩擦的影响。相关研究已表明，滚动摩擦在许多过程中的影响不可忽略，如颗粒的堆积过程等[10]。因此，人们又将滚动摩擦引入到DEM模型中[10]，该类模型不仅考虑了法向力和切向力及其力矩，还包含了由滚动摩擦引起的滚动摩擦力矩，故其目前在DEM中是较为完善的模型之一。在该类模型中，每一种作用力和力矩都可简化为一个弹簧、一个阻尼和一个滑动器，如图1.2所示，可通过四组弹性-阻尼方程进行求解，故该类模型可称为四方程模型。图1.2四方程模型[4]DEM还可以和有限元法（FiniteElementMethod）、计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）等方法结合用以解决各种问题。其中，将DEM与计算流体力学相结合便是我们通常所说的CFD-DEM耦合模型，可用于模拟颗粒-流体两相体系。在CFD-DEM
Р┦垦?宦畚男髀?4模型中，CFD用于流体相的求解，DEM用于颗粒相的求解，两者通过相应的模型进行质量、动量及能量等的传递来实现耦合，进而解决颗粒-流体系统的数值模拟问题。CFD-DEM耦合模型是一种普遍适用的模拟流-固两相体系的方法，该模型所需的经验参数较少，无论是颗粒部分还是流体部分，都可以使用更为符合自身特点的模型进行求解，颗粒的形状、粒径分布、物理性质等都可以较为方便地考虑进来，故其相较于其他模型（如双流体模型[11]），可较为准确地预测各种流-固两相体系中颗粒的运动及其与流场的相互影响等。图1.3CFD与DEM间的信息传递与耦合过程[12]CFD-DEM方法最早由Tsuji等[13]于上世纪90年代提出，其计算流程大致为：如图1.3所示，在每一时间步内，DEM提供颗粒位置、速度等颗粒尺度的信息；随后，根据上述信息可计算出CFD单元的空隙率（ε）及颗粒相对流体相的作用力（即Fpf）等参数；接着，根据上述参数，通过CFD即可求解流体的流场，进而计算出流体相对单个颗粒的作用力（即fpf）；最后，把上述作用力信息传递至DEM用以求解颗粒在下一时间步的运动。其中，颗粒相与流体相间的作用力一般主要考虑曳力，目前使用较多的主要是两种基于实验建立的半经验曳力模型，即Ergun和Wen&Yu模型[14,15]与DiFelice模型[16]。CFD-DEM模型在早期发展过程中存在诸多不足，但通过众多研究人员的努力，该模型日趋成熟[17-19]。例如，早期人们就流体运动方程（即Navier-Stokes方程）中压降的处理方式存在分歧：一种认为压降应同时作用于流体相与颗粒相（ModelA），另一种认为压降应只作用于流体相（ModelB）[20]。后来随着研究的深入，人们发现在模拟单组份颗粒体系时两者的差别不大[21]，但在模拟二元颗粒体系时ModelB的模拟结果应更为准确[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷动流化床传热特性的CFD-DEM模拟[J]. 卜昌盛,王昕晔,张居兵,朴桂林. 动力工程学报. 2017(11)
[2]柱状生物质颗粒在回转干馏炉中的运动及导热特性[J]. 张立栋,韦庆文,秦宏,王擎. 化工进展. 2017(11)
[3]柱状生物质颗粒与钢球颗粒在滚筒中的混合特性[J]. 张立栋,韦庆文,秦宏,王擎. 化工进展. 2016(10)
[4]滚筒冷渣器内颗粒床运动状态的离散单元法模拟[J]. 白珏明,刘柏谦,白珏莹,谭培来. 热力发电. 2016(02)
[5]颗粒在圆形偏心滚筒内的运动模式[J]. 张立栋,李连好,程硕,李晓博,秦宏,王擎,李少华. 化工进展. 2015(09)
[6]颗粒物质混合行为的离散单元法研究[J]. 戚华彪,周光正,于福海,葛蔚,李静海. 化学进展. 2015(01)
[7]离散单元法及其在流态化领域的应用[J]. 周池楼,赵永志. 化工学报. 2014(07)
[8]砌体结构破坏倒塌过程的离散单元模拟[J]. 赵永志,陈友川,郑津洋. 计算力学学报. 2011(04)
[9]阻尼对水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式形成的影响[J]. 高红利,赵永志,刘格思,陈友川,郑津洋. 物理学报. 2011(07)
[10]矩形喷动床混合特性的三维数值研究[J]. 朱润孺,朱卫兵,邢力超,孙巧群. 中国电机工程学报. 2010(17)
硕士论文
[1]双锥型混合器内颗粒混合及增混机理研究[D]. 江茂强.浙江大学 2010
本文编号：3134026
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