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搅拌槽内固体颗粒初始运动特性的实验研究与数值模拟

搅拌槽内固体颗粒初始运动特性的实验研究与数值模拟

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作者：程雪姣北京化工大学

学位级别：硕士

颗粒的初始运动广泛存在于自然界,例如河床沉积物的转移、颗粒床侵蚀、沙丘的形成,是研究河流泥沙输运及搅拌槽内固体颗粒悬浮初始阶段等涉及颗粒输运模型课题的理论基础。近些年来,有较多的学者研究了层流剪切流条件下的初始运动。本... 详细信息

颗粒的初始运动广泛存在于自然界,例如河床沉积物的转移、颗粒床侵蚀、沙丘的形成,是研究河流泥沙输运及搅拌槽内固体颗粒悬浮初始阶段等涉及颗粒输运模型课题的理论基础。近些年来,有较多的学者研究了层流剪切流条件下的初始运动。本文将在前人的基础上继续探讨层流条件下颗粒的初始运动特性。本论文研究了方形搅拌槽内单颗粒在规则基板上的初始运动特性,搅拌桨为RT桨,基板由等大颗粒以三角形紧密排列的方式组成。实验后期通过Matlab程序获得了颗粒的运动轨迹和运动速度等相关信息。另外,本论文结合LBM方法对实验操作条件进行了直接数值模拟,获得了颗粒的运动轨迹、受力情况以及周围流场的详细信息。结果表明:(1)颗粒在基板上的运动以滚动状态为主,约占76%左右,并且颗粒沿着基板缝隙运动,很少跨过基板颗粒顶部;(2)临界初始运动转速随着颗粒密度的增大而增大,当颗粒密度比为2.26～3.36时,运动轨迹一致。当密度比为7.98～11.49时,运动轨迹与前者不同,为另一种形式;(3)颗粒直径会改变掩埋度,当颗粒与基板颗粒的直径比dp/ds临界初始运动转速高;(4)当颗粒的初始位置.v/T的值相同时,尽管流型不同,但是不同x/T对应的临界shields数的分布仍然关于y轴对称;(5)基于LBM模拟,临界悬浮转速的模拟值与实验误差约为3%,颗粒运动轨迹的模拟值和实验数据吻合很好;(6)当Re<30时,颗粒在基板上运动主要受流体水平力的作用,流体水平力的贡献约占75%,其次是流体的矩的作用,约占25%,而升力可以忽略。

关键词：搅拌槽规则床层颗粒初始运动临界shields数格子-Boltzmann 方法

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