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密集颗粒流中的速度波动及自扩散特征

中国沙漠 2011年第3期31卷 618-625页

作者：王等明周又和兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室甘肃兰州730000

密集颗粒流是颗粒介质中非常重要的一种运动状态,其内部单个粒子的速度波动通常是导致系统出现输运、混合、分离等宏观过程的微观基础,因此,如何对其进行定量描述是颗粒介质研究中一个非常关键的问题。基于所建立的环形剪切颗粒流的离... 详细信息

密集颗粒流是颗粒介质中非常重要的一种运动状态,其内部单个粒子的速度波动通常是导致系统出现输运、混合、分离等宏观过程的微观基础,因此,如何对其进行定量描述是颗粒介质研究中一个非常关键的问题。基于所建立的环形剪切颗粒流的离散元模型,首先分析了系统达到剪切稳定状态时不同局部区域内微观粒子速度波动的宏观统计特征;通过引入自扩散系数定量研究了剪切颗粒流内粒子扩散运动过程中的局部化和各向异性特征;最后讨论了局部剪切率、初始体积分数以及粒子间的摩擦系数对系统自扩散系数的影响规律。

关键词：密集颗粒流离散单元法速度波动自扩散系数

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密集颗粒流绕流换热管传热特性研究

密集颗粒流绕流换热管传热特性研究

作者：神英凯山东理工大学

学位级别：硕士

在“碳中和、碳达峰”的大背景下,碳排放及全球气候变化是能源行业不得不面对的重要问题。但能量是人类社会生存发展不可缺少的条件,所以在已有能源结构的基础上来控制优化能量的利用效率,也是解决全球气候变暖的一个重要手段。当前社... 详细信息

在“碳中和、碳达峰”的大背景下,碳排放及全球气候变化是能源行业不得不面对的重要问题。但能量是人类社会生存发展不可缺少的条件,所以在已有能源结构的基础上来控制优化能量的利用效率,也是解决全球气候变暖的一个重要手段。当前社会所生产的高温固体颗粒,因生产的需要常带有大量余热。合理高效地利用这部分余热在解决排放等全球性能源问题及提高能源利用率上将有重要意义。移动床换热器(MBHE)是一种针对高温颗粒材料高效的热量交换设备,广泛应用在太阳能中央接收器热交换及高炉渣等高温颗粒材料的余热回收上。但MBHE尚处在发展阶段,其密相颗粒流绕流换热管的相关换热特性仍亟待研究。本文以密集颗粒流绕流换热管传热过程为研究对象,基于CFD-DEM方法,建立了密集颗粒流绕流换热管传热模型。利用建立的传热模型对密集颗粒流绕流换热管传热过程进行了数值模拟研究,分析了密集颗粒流绕流换热管的传热过程,系统探究了颗粒物性(粒径、密度)、颗粒表面特性(颗粒静摩擦系数、颗粒滚动摩擦系数、颗粒碰撞恢复系数)、颗粒形状(球形、椭球形、圆柱形、正四面体、正六面体)对密集颗粒流绕流换热管传热特性的影响,拟合获得了可预测颗粒流绕流换热管有效传热系数的准则数方程,主要结论如下:(1)密集颗粒流绕流换热管时,换热管上方出现明显的颗粒停滞区,下方出现明显的空区,换热管周围的颗粒温度明显降低,低温颗粒向“空区”集中并继续向换热管下方运动。换热管热流量稳定在140.80 W左右,颗粒-换热管接触数呈现波动的稳定状态,稳定状态的接触数为55.4,换热管平均有效传热系数为238.68 W/(m·K)。(2)探究了颗粒物性对颗粒流绕流换热管传热特性的影响。在所研究粒径范围内,随着颗粒粒径增大,颗粒流的密实程度降低,颗粒的最高温度及最低温度均相对增大,颗粒最大温差减小,颗粒流平均温度下降速率减小且趋势减缓;换热管平均热流量减小,颗粒-换热管平均颗粒接触数减小,换热管平均有效传热系数减小。颗粒流平均温度下降速率由6.74 K/s减小至2.06 K/s,换热管平均热流量由155.48 W降低至128.78 W,换热管平均有效传热系数由262.35 W/(m·K)减小至217.31 W/(m·K)。在所研究密度范围内,随着颗粒密度增大,颗粒最高温度及最低温度均相对增加,颗粒的最大温差减小,颗粒流平均温度下降速率减小且趋势减缓;换热管平均热流量增大,颗粒-换热管平均接触数未呈现明显变化,换热管平均有效传热系数增大。颗粒流平均温度下降速率由5.95 K/s减小至2.92 K/s,换热管平均热流量由137.00 W增大至142.14 W,换热管平均有效传热系数从231.18 W/(m·K)增大至239.85 W/(m·K)。(3)探究了颗粒表面特性对颗粒流绕流换热管传热特性的影响。颗粒静摩擦系数对换热管的传热特性影响最明显,随着颗粒静摩擦系数增大,换热管底部“空区”区域扩大,颗粒最高温度及最低温度均相对减小,颗粒最大温差增大,颗粒流平均温度下降速率增大且趋势减缓;换热管平均热流量减小,颗粒-换热管平均接触数减小,换热管平均有效传热系数减小。颗粒流平均温度下降速率由3.48 K/s增大至3.65 K/s,换热管平均热流量由142.22 W减小至139.03 W,换热管平均有效传热系数从239.99 W/(m·K)减小至234.59 W/(m·K)。颗粒滚动摩擦系数及弹性碰撞恢复系数对换热管的传热特性影响较小,随着颗粒滚动摩擦系数及弹性碰撞恢复系数增大,颗粒流的平均温度下降速率、换热管平均热流量、颗粒-换热管平均接触数及换热管平均有效传热系数均未呈现明显变化。(4)探究了颗粒形状对颗粒流绕流换热管传热特性的影响。在等效直径相同的情况下,球形颗粒流的温度均匀性最好,四面体颗粒流的温度均匀性最差,球形颗粒流的平均温度下降速率最大,正四面体颗粒流的换热管平均热流量最大,正六面体颗粒流的换热管平均热流量最小,圆柱体颗粒流的颗粒-换热管平均接触数最大。整体上非球形颗粒流的温度分布均匀性及换热管总体传热效果比球形颗粒流差。(5)将颗粒粒径、颗粒密度及颗粒静摩擦系数融入拟合关联式,获得了可预测颗粒流绕流换热管有效传热系数的准则数方程,预测关联式的计算值与模拟值最大相对误差小于10%。

关键词：密集颗粒流绕流换热管传热颗粒粒径颗粒静摩擦系数 CFD-DEM

剪切平行板间密集颗粒流的接触力分布及各向异性分析

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应用数学和力学 2013年第7期34卷 714-723页

作者：孟凡净刘焜王伟合肥工业大学摩擦学研究所合肥230009

研究了剪切平行板间密集颗粒流的接触力分布规律、接触力网络的各向异性、颗粒摩擦因数对宏观流变特性及细观力链分布的影响等.为了研究以上内容,应用计算机建立了离散元数值分析模型.数值分析结果表明,颗粒之间的接触力分布按幂函数规... 详细信息

研究了剪切平行板间密集颗粒流的接触力分布规律、接触力网络的各向异性、颗粒摩擦因数对宏观流变特性及细观力链分布的影响等.为了研究以上内容,应用计算机建立了离散元数值分析模型.数值分析结果表明,颗粒之间的接触力分布按幂函数规律变化;接触角分布服从指数函数规律,平均法向接触力随平均接触角任意上下振荡变化;波动速度大小为宏观流变顺畅与否的关键性评价指标,而在细观力链方面,当剪切平行板间颗粒流变不畅时会伴随着超强力链数目显著增加.

关键词：密集颗粒流离散元接触力

密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的离散元模拟

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物理学报 2014年第13期63卷 254-262页

作者：孟凡净刘焜合肥工业大学摩擦学研究所合肥230009

分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性.为了分析以上问题,建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型.研究结果表明:间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大,波动速度恰... 详细信息

分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性.为了分析以上问题,建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型.研究结果表明:间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大,波动速度恰好相反;纵向的平均速度、波动速度较小,这一点稀疏剪切颗粒流正相反;根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域,并得出了波动速度对剪切率的依赖关系;间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向,而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出.通过对流变和扩散特性的模拟分析,直观地反映了颗粒的微观流变特性,有益于密集剪切颗粒流的流变机理的研究.

关键词：密集颗粒流离散元流变自扩散

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密集颗粒流动的连续性方法应用研究

原子能科学技术 2019年第12期53卷 2367-2374页

作者：孙倩彭天骥严安周志伟清华大学核能与新能源技术研究院北京100084 中国科学院近代物理研究所甘肃兰州730000

颗粒流动广泛存在于自然现象和工程应用中,无论是山体坍塌还是工程上球床模块式高温气冷堆和中国科学院近代物理研究所提出的新型流态固体颗粒靶概念。本文基于适用于处理大变形问题的物质点法(MPM),采用μ(I)流变模型,实现了用连续性... 详细信息

颗粒流动广泛存在于自然现象和工程应用中,无论是山体坍塌还是工程上球床模块式高温气冷堆和中国科学院近代物理研究所提出的新型流态固体颗粒靶概念。本文基于适用于处理大变形问题的物质点法(MPM),采用μ(I)流变模型,实现了用连续性方法模拟密集颗粒流动的计算框架,并模拟了颗粒坍塌实验和漏斗流动现象,数值模拟结果与实验结果、DEM计算结果均吻合较好。本文采用的连续性本构和MPM能有效模拟密集颗粒流动。可在本文探究的连续性方法模拟密集颗粒流动的框架基础上,完善边界条件和本构模型,为用连续性方法处理大量颗粒的工程问题提供借鉴。

关键词：密集颗粒流 μ(I)流变模型物质点法颗粒坍塌固体颗粒靶