基于LBM-DEM的液体浸没密集颗粒流坍塌流动特性研究

作     者：朱承志 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范建华

授予年度：2024年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：LBM-DEM 颗粒两相流 Beverloo定律 GPU加速 漏斗流 流量预测 

摘      要：密集颗粒物质由离散固体颗粒组成,颗粒间物理性质相同,彼此相互作用,既兼具流体和固体的某些特征,同时又有不同于两者的属性,广泛存在于自然界和工业领域。针对密集颗粒的坍塌流动产生的物理机制、物体间互相作用的理论尚不完全清楚、其流动行为及演化规律还难以准确描述等问题,本课题拟构建高效的颗粒流的格子玻尔兹曼-离散元(LBM-DEM)双向数值模拟平台,研究复杂颗粒系统坍塌流动特性,并提出适用于粘结性颗粒流量预测模型,从而完善颗粒两相流理论体系,主要研究内容如下: (1)基于流固耦合理论,构建了密集颗粒两相流双向耦合数值模型,该模型采用离散元方法(DEM)与格子玻尔兹曼方法(LBM)相耦合,DEM处理颗粒相,LBM计算流场。考虑到颗粒数量庞大,结合LBM易于并行化编程的优点,采用图形处理单元(GPU)对耦合的LBM-DEM程序迭代算法部分进行加速。随后通过达西定律理论分析和单颗粒沉降实验验证,证明了方法的有效性和准确性。 (2)采用LBM-DEM耦合方法系统研究了密集颗粒流从漏斗中流出特性。通过在出口处引入管道、对流体粘性和孔径大小进行参数化研究,分析了这些参数对颗粒流量的影响。研究结果显示,相比不连接管道的情况,管道的存在显著减缓了流出速率。基于改进Beverloo定律,结合单颗粒沉降最大速度,提出了适用于密集颗粒流量预测模型。 (3)为了明确流体-颗粒相互作用关系,在快速流动区域内分析了颗粒及其周围流体的速度分布。随后,引入了一个扩展的动力学模型,建立了颗粒流出速率与速度分布之间的联系。这一扩展模型通过考虑间隙流体的影响,使得模型能够预测漏斗中的颗粒流出速率。 (4)考虑了外压力对颗粒流动的影响,探究了施加外压力时颗粒的流动特性变化。使用参数化研究,从宏观和微观角度分析了外压力影响颗粒流动的机制。结论表明,较大的外压力会加快颗粒流从质量流向漏斗流的转变,较大的流体的粘度会减小外压力对颗粒流动的影响。 本研究揭示了密集颗粒在流体中流动的机理,所提出的颗粒流量预测模型可用于工业上漏斗类容器控制放料速率等,为推动颗粒两相流理论的发展和相关工业奠定了基础。