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近壁球形颗粒的曳力特性研究

工程热物理学报 2024年第3期45卷 755-763页

作者：霍晓昱王军夏国栋北京工业大学强化传热与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室北京100124

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒... 详细信息

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒所受曳力的影响规律和机制。当壁面动量适应系数为零时,近壁效应消失;当壁面温度高于气体温度时,近壁效应使得颗粒所受曳力增大;当壁面温度低于气体温度且颗粒速度较小时,可能出现曳力方向与颗粒运动方向相同的情况。

关键词：自由分子区曳力近壁效应气体动理论

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自由分子区内的非球形颗粒曳力计算

力学学报 2024年第5期56卷 1251-1260页

作者：常心泉张克学王军夏国栋北京工业大学机械与能源工程学院北京100124

基于气体动理论方法,推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式,并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒,得到其所受曳力的具体解析计算式.该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体,... 详细信息

基于气体动理论方法,推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式,并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒,得到其所受曳力的具体解析计算式.该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体,假设气体分子与颗粒间的相互作用符合Maxwell镜面反射-漫反射模型,计算气体分子与颗粒碰撞过程中的微元动量传递,进而在颗粒表面积分得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式.计算结果表明,颗粒所受曳力与其自身的几何形状和在流场中的取向有关.但是,基于非球形颗粒得到的计算式较为复杂,不便于实际应用.考虑到在自由分子区内,当外势场较弱时,颗粒的高速布朗旋转运动会使其取向分布近似为均匀的随机分布,文章推导得到了不同形状颗粒在均向分布下所受均向曳力的计算式,结果表明非球形颗粒所受均向曳力正比于颗粒表面积,且比例系数与颗粒形状无关.此算法避免了求解具体非球形颗粒受力计算的繁琐计算过程,更便于实际应用.

关键词：非球形颗粒曳力自由分子区气体动理论

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基于含晕气泡曳力模型的鼓泡床流化行为分析

哈尔滨工业大学学报 2024年

作者：章凯朱垚辰李娟王帅哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

气固鼓泡流态化系统具有非平衡、非线性的多尺度特征。为研究含晕鼓泡床内复杂流动行为，利用含晕气泡多尺度曳力模型对三维鼓泡床反应器开展数值模拟，获得不同位置处颗粒速度与体积分数的变化规律，对颗粒体积分数时间波动序列进行小... 详细信息

气固鼓泡流态化系统具有非平衡、非线性的多尺度特征。为研究含晕鼓泡床内复杂流动行为，利用含晕气泡多尺度曳力模型对三维鼓泡床反应器开展数值模拟，获得不同位置处颗粒速度与体积分数的变化规律，对颗粒体积分数时间波动序列进行小波变换，分析轴向和径向位置颗粒脉动和气泡波动的变化。结果表明：基于含晕气泡的多尺度曳力模型能够较好地预测床内流动状态，床内整体呈现颗粒在中心上升而沿壁面下落的环-核流动形式。与颗粒速度波动相比，颗粒体积分数的波动频率更高且更加难以分辨。小波分析获得的颗粒相和气泡相的波动强度沿床高增加,但随着靠近壁面逐渐减弱。A类颗粒鼓泡床内气泡更强烈的破碎与聚并行为，使径向气泡分布较为均匀，能量分率径向差异较小。入口流速的增大增强了颗粒径向分布的非均匀性，且增大了颗粒相和气泡相波动信号的能量分率。

关键词：含晕气泡鼓泡流化床小波分析曳力

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壁面边界层附近高温圆柱绕流的直接数值模拟

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1757-1762页

作者：王凯越王海鸥罗坤樊建人浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

本文使用直接数值模拟对等温和非等温条件下壁面附近的二维圆柱绕流进了研究。在层流条件下,讨论了间隙比G/D(G为圆柱下表面和壁面的距离,D为圆柱直径)以及传热对圆柱周围流场和圆柱受力的影响。当G/D=0.5时,圆柱下表面的涡脱落会受到... 详细信息

本文使用直接数值模拟对等温和非等温条件下壁面附近的二维圆柱绕流进了研究。在层流条件下,讨论了间隙比G/D(G为圆柱下表面和壁面的距离,D为圆柱直径)以及传热对圆柱周围流场和圆柱受力的影响。当G/D=0.5时,圆柱下表面的涡脱落会受到壁面边界层抑制,在壁上形成一个较大的回流区。当G/D=1.0时,壁面回流区减小,圆柱下表面出现了涡脱落。当G/D=3.0时,流动与无壁面约束条件下的圆柱绕流相似。当圆柱温度高于流体温度时,平均升力系数减小,而曳力的振荡幅度有所增加。

关键词：圆柱绕流边界层涡脱落曳力传热

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颗粒聚团结构对曳力特性影响的数值模拟

化工学报 2023年第6期74卷 2351-2362页

作者：刘道银陈柄岐张祖扬吴琰东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室江苏南京210096

黏性颗粒多以聚团形式存在于气固两相系统中,流体施加于聚团的曳力对两相流动及传热传质起着至关重要的作用,而聚团的不规则、分形结构增加了曳力特性的复杂性。基于黏性离散单元方法生成不同分形结构的聚团,利用计算流体力学方法(CFD)... 详细信息

黏性颗粒多以聚团形式存在于气固两相系统中,流体施加于聚团的曳力对两相流动及传热传质起着至关重要的作用,而聚团的不规则、分形结构增加了曳力特性的复杂性。基于黏性离散单元方法生成不同分形结构的聚团,利用计算流体力学方法(CFD)直接求解分形聚团内部多孔结构的气流流动,得到了气体流过聚团时的周围与内部流场,研究了低Reynolds数(Re=0.1~10)条件下聚团结构特征对曳力的影响。结果表明:聚团的疏密程度显著影响聚团整体流场分布,多孔疏松结构增强了聚团的渗透性,使其与流体接触面积增加,所受曳力增加。分析不同结构聚团的曳力系数发现:除了聚团孔隙率、分形维数等结构参数的影响,气体流经聚团的方向也影响聚团曳力系数。在此基础上,综合考虑聚团分形维数、聚团与气流的夹角方向、Reynolds数拟合得到聚团曳力系数关联式。

关键词：聚团结构分形曳力渗透计算流体力学

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

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化工学报 2022年第6期73卷 2427-2437页

作者：管小平杨宁中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京100190

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发... 详细信息

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型:一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。

关键词：多相流介尺度曳力群体平衡模型计算流体力学

气固流化床介尺度结构形成机制及过滤曳力模型研究进展

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化工学报 2022年第6期73卷 2468-2485页

作者：蒋鸣周强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 新能源系统工程与装备陕西省高校工程研究中心陕西西安710049 动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

气固流化床中,介于颗粒与宏观尺度间的复杂的时空多尺度结构(介尺度结构)将完全改变气固相间作用规律,加大了流态化系统调控及预测的难度。为此,需要构建考虑结构影响的相间本构关系。其中,曳力作为影响流态化动力学特征的主导因素,对... 详细信息

气固流化床中,介于颗粒与宏观尺度间的复杂的时空多尺度结构(介尺度结构)将完全改变气固相间作用规律,加大了流态化系统调控及预测的难度。为此,需要构建考虑结构影响的相间本构关系。其中,曳力作为影响流态化动力学特征的主导因素,对其研究尤为重要。从结构产生演化的机制出发,概述结构影响曳力的机理,以模型构建流程的角度对结构和过滤两类模型进行总结,并重点综述过滤模型构建在提升准确性、有效性、通用性和考虑更多物理机制方面的最新进展。研究表明:提升模型通用性和考虑真实系统中更丰富的物理机制仍是建模中亟待解决的问题,结合结构演化机制理性建模和充分发挥机器学习数据分析处理优势或是曳力建模进一步发展的关键。

关键词：两相流流态化介尺度结构曳力过滤模型

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气固下行床中壁面对介尺度曳力的影响规律

化工进展 2023年第5期42卷 2272-2281页

作者：袁守正陈啸蒋鸣余亚雄周强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

传统介尺度曳力模型的构建通常基于全周期域的细网格模拟数据集,未考虑壁面的影响,而真实流化床反应器系统中的壁面条件会影响壁面附近的非均匀结构,进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力,因此研究壁面效应对介尺度曳力模型的影响很有必要... 详细信息

传统介尺度曳力模型的构建通常基于全周期域的细网格模拟数据集,未考虑壁面的影响,而真实流化床反应器系统中的壁面条件会影响壁面附近的非均匀结构,进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力,因此研究壁面效应对介尺度曳力模型的影响很有必要。本文通过对拟二维全周期系统和不同床宽的周期下行床系统的介尺度曳力修正系数相对误差径向分布进行比较,探究了周期下行床中的介尺度曳力回归全周期系统曳力的现象,分析了曳力修正系数径向分布的影响因素。发现不同床宽下受壁面影响区域占整个床的比例改变较小,且曳力系数相对误差的值受该位置的固含率、固含率梯度、固相剪切率及粒化温度分布等因素影响,最后拟合了曳力系数相对误差关于径向位置的公式,并对过滤尺度对曳力系数相对误差的影响和一些变量关联曳力时是否已经隐性包含了壁面的影响进行了探讨。

关键词：流态化气固两相流壁面效应介尺度结构曳力

低雷诺数下气固两相中浓稀相界面对微尺度曳力的影响及建模

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过程工程学报 2022年第11期22卷 1490-1503页

作者：马腾陈啸周强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 新能源系统工程与装备陕西省高校工程研究中心陕西西安710049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

采用具有二阶精度的浸没边界-格子玻尔兹曼法对低雷诺数下流体流经不同颗粒聚团结构的过程进行了解析到颗粒表面的直接数值模拟(PR-DNS)。结果显示在颗粒聚团表面的浓稀相界面处,传统的微观均匀BVK曳力模型[AIChE Journal,2007,53(2):48... 详细信息

采用具有二阶精度的浸没边界-格子玻尔兹曼法对低雷诺数下流体流经不同颗粒聚团结构的过程进行了解析到颗粒表面的直接数值模拟(PR-DNS)。结果显示在颗粒聚团表面的浓稀相界面处,传统的微观均匀BVK曳力模型[AIChE Journal,2007,53(2):489-501]的预测结果与PR-DNS结果有明显的差别;同时文献中所构建的考虑界面影响的微观曳力模型(Int.J.Multiphase Flow,2020,128:103266)也无法准确预测稀相固含率不为0的情况。因此,本工作提出了一种将界面附近网格分解求取曳力的方法。通过与不同颗粒聚团结构的PR-DNS结果及其他曳力模型预测结果对比发现,新模型不但在稀相固含率趋近于0时与文献中模型具有相近的预测能力,且在稀相固含率不为0时,具有明显优于文献模型的相关系数及拟合优度。

关键词：直接数值模拟气固两相流计算流体力学曳力颗粒结构浓稀相界面