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柱状颗粒在线性剪切流场中运动的数值模拟研究

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力学与实践 2021年第5期43卷 734-739页

作者：郑乐梅王彦入沈家鑫尹招琴包福兵中国计量大学流体检测与仿真研究所杭州310018

柱状颗粒是自然界和工业过程中一种普遍的颗粒形状,它在流场中的运动与球状颗粒有显著区别。论文基于直接力浸入边界法数值模拟了柱状颗粒在线性剪切流中的运动;分析了柱状颗粒周围流场参数分布,获得了作用在颗粒上的力矩变化,明确了由... 详细信息

柱状颗粒是自然界和工业过程中一种普遍的颗粒形状,它在流场中的运动与球状颗粒有显著区别。论文基于直接力浸入边界法数值模拟了柱状颗粒在线性剪切流中的运动;分析了柱状颗粒周围流场参数分布,获得了作用在颗粒上的力矩变化,明确了由流体曳力和颗粒惯性力相互作用导致颗粒运动的速度和角速度的变化规律,同时考虑了颗粒雷诺数对颗粒运动的影响。

关键词：柱状颗粒线性剪切流直接力浸入边界法

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双柱状颗粒在线性剪切流场中的动力学分析

计算力学学报 2023年第1期40卷 79-85页

作者：郑乐梅尹招琴王彦入沈家鑫包福兵周锟中国计量大学浙江省流量计量技术研究重点实验室杭州310018 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081

为研究柱状颗粒在线性剪切流场中的运动状态和受力情况,本文以颗粒长径比为2,颗粒之间的初始距离ΔSP y=4D为例,基于直接力浸入边界法数值模拟了双柱状颗粒在三维线性剪切流场中的运动过程。根据模拟结果分析了柱状颗粒周围流场参数分布... 详细信息

为研究柱状颗粒在线性剪切流场中的运动状态和受力情况,本文以颗粒长径比为2,颗粒之间的初始距离ΔSP y=4D为例,基于直接力浸入边界法数值模拟了双柱状颗粒在三维线性剪切流场中的运动过程。根据模拟结果分析了柱状颗粒周围流场参数分布,在考虑壁面对颗粒的影响和颗粒之间相互影响的条件下,研究了颗粒的受力和运动的变化,探索了流体曳力导致柱状颗粒迁移和转动的规律。研究结果表明,双柱状颗粒在线性剪切流场中易向速度大的流体区域运动;前后两颗粒运动状态和轨迹不同,颗粒之间距离较近时,曳力会产生较大的波动;只有当颗粒在壁面附近时,滞后颗粒才能追上领先颗粒,两颗粒发生牵引、翻滚和分离过程。

关键词：柱状颗粒线性剪切流壁面直接力浸入边界法动力学

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管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究

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过程工程学报 2021年第9期21卷 1022-1032页

作者：朱梓瑞刘雪东蒋良雄顾宇彤彭涛殷俊杰刘梅华蒋威常州大学机械与轨道交通学院江苏常州213164 江苏省绿色过程装备重点实验室江苏常州213164 中国石化扬子石油化工有限公司炼油厂江苏南京210048

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面... 详细信息

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。

关键词：固定床反应器柱状颗粒流体流动特性数值模拟压降

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倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

力学与实践 2022年第5期44卷 1172-1178页

作者：李亮刘炳瑞张润辉张斌浙江大学力学系流体工程研究所杭州310027 广东盈峰智能环卫科技有限公司广东佛山528322 南华大学湖南衡阳421009

本文采用计算流体力学-离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效... 详细信息

本文采用计算流体力学-离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

关键词：输运效率倾斜管道柱状颗粒离散单元法

基于CFD-DEM方法与多孔介质模型的管式固定床反应器柱状颗粒床层特性研究

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石油炼制与化工 2024年第11期55卷 90-99页

作者：张刚宋斯铎朱梓瑞刘雪东中石化南京工程公司南京210049 常州大学机械与轨道交通学院江苏省绿色过程装备重点实验室

使用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)和多孔介质模型分别对管式固定床反应器进行数值模拟,讨论在不同装填方式与管径比条件下,柱状颗粒床层的堆积特性与单位压降变化规律,并对比两种数值模拟方法计算结果的一致性和计算效率。计算结果... 详细信息

使用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)和多孔介质模型分别对管式固定床反应器进行数值模拟,讨论在不同装填方式与管径比条件下,柱状颗粒床层的堆积特性与单位压降变化规律,并对比两种数值模拟方法计算结果的一致性和计算效率。计算结果表明,混合装填方式比单一装填方式更容易使柱状颗粒床层达到稳定状态。在采用单一装填方式且管径比一定时,床层压降会随入口气速增大而增大,在实际应用中应选择合适的入口气速,以防止设备损坏。当采用混合装填方式时,床层截面压力波动显著减小20.63%,床层颗粒堆积更均匀。对比CFD-DEM与多孔介质模型的计算结果与效率,发现当颗粒雷诺数(Re_(p))小于229时,多孔介质模型与耦合算法得到的床层压降最大偏差为6.3%;当Re_(p)从229增大到458时,床层压降的偏差随Re_(p)增大而增大,最大偏差为13.4%,满足工程误差要求。在计算效率方面,使用多孔介质模型计算所需要的时间是CFD-DEM耦合算法的1320。因此,当管径比大于16.58、Re_(p)小于458时,多孔介质模型对于柱状颗粒床层计算的适用性和可靠性更高。

关键词：柱状颗粒管式固定床反应器 CFD-DEM耦合算法多孔介质模型压降数值模拟管径比

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柱状颗粒在垂直管流中的沉降特性研究

柱状颗粒在垂直管流中的沉降特性研究

作者：刘佳君常州大学

学位级别：硕士

液固两相流广泛存在于日常生活中,在石化行业、医疗化学和生物工程等领域都有大量应用。在催化剂颗粒装填过程中,常常因为不能掌握颗粒具体运动规律而影响颗粒床层堆积状态和装填质量。较常见的催化剂颗粒形状有球状、柱状和矩形。根据... 详细信息

液固两相流广泛存在于日常生活中,在石化行业、医疗化学和生物工程等领域都有大量应用。在催化剂颗粒装填过程中,常常因为不能掌握颗粒具体运动规律而影响颗粒床层堆积状态和装填质量。较常见的催化剂颗粒形状有球状、柱状和矩形。根据圆柱形催化剂颗粒相对于球形颗粒的细长形状特征和颗粒取向,选取多个直径相同、长度不同的柱状颗粒进行研究。首先建立柱状颗粒沉降试验台,利用粒子图像测速法(PIV)对垂直管流中圆柱形颗粒的沉降过程进行探究,接着使用球元法和多球体法相结合的方法构造圆柱状颗粒,采用计算流体动力学耦合离散元法(CFD-DEM)模拟圆柱状颗粒在垂直管流沉降过程中的运动过程。主要研究内容和结果如下:(1)通过实验观察到以下现象:相同直径和长度的柱状颗粒以相同角度释放时,靠近壁面的柱状颗粒运动得更慢,且会在沉降过程中向圆管中心漂移,最终沉降位置位于圆管中心附近;相同直径不同长度的颗粒以与水平面呈不同角度的状态开始沉降时,都会以水平的姿态进入稳定沉降状态,最终保持水平;改变颗粒与XY轴夹角,与X轴夹角最大时,颗粒速度最慢,沉降同样距离所用时间最长,状态沉降速度变化最快,时间最短,更快的到达圆管底部;颗粒的密度越小,流体的粘度越高,沉降时间就越长;推导圆柱颗粒沉降的斯托克斯方程,并通过实验数据修正了斯托克斯方程中的阻力系数。将实验修正后的阻力系数引入用户定义函数(UDF),重新模拟计算颗粒沉降的终点速度。当使用球形颗粒的阻力系数时,误差为50%。校正后,相对误差从50%降低到17%以内。(2)利用CFD-DEM方法能够很好地描述液固两相流中颗粒运动行为和流场变化特征,对所做的实验进行仿真,仿真结果与实验较为契合。远离中心的柱状颗粒受到壁面效应的影响更大,导致了颗粒在运动过程中还额外受到来自壁面的推动作用和阻力作用,推动作用使得柱状颗粒逐渐向中心移动,阻力作用延长了颗粒运动的时间;随着颗粒向下沉降,其与水平面夹角的增大,会减少颗粒下沉受力面积,使得底部受到的流体压力也随之增加,流体压力改变了颗粒在沉降过程中的倾斜角度,使颗粒最终转动到水平的状态;当颗粒与X轴呈较大夹角时,颗粒相对于壁面的截面面积最大,故受到壁面效应的影响最大,所以在初始受到的流体阻力最大,速度最慢,沉降运动同样距离的时间也最长;流体粘度的增加会增大柱状颗粒下沉方向上的流体压力,阻碍柱状颗粒的沉降运动,使得柱状颗粒沉降得更慢。而较大密度的柱状颗粒会受到更大的下沉力去对抗流体的阻力,使得柱状颗粒沉降得更快。(3)在双颗粒系统中,两个颗粒会因为流场的变化作有规律的“S”曲线运动,且在双柱状颗粒沉降中,释放角度大的柱状颗粒运动地比释放角度小的柱状颗粒要快;相同直径的情况下,长度更长、质量更重的柱状颗粒下沉得更快;随着沉降颗粒总数的增加,沉降时间会随之增加。10颗粒体系中的颗粒比5颗粒体系沉降得慢,所用时间也更长。

关键词：柱状颗粒沉降流体力学粒子图像测速法 CFD-DEM联合仿真

基于CFD-DEM方法的柱状颗粒在弯管中输送过程的数值模拟

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中国粉体技术 2011年第5期17卷 65-69页

作者：卢洲刘雪东潘兵常州大学机械工程学院江苏常州213016

针对物料在气力输送过程中特别是弯管部分易破碎的问题,采用计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合模拟弯管内的柱状颗粒气力输送过程,对弯径比k分别为1、2、3、4、6的90°弯管内柱状颗粒的运动状态、碰撞特性、破碎原因及相关的力学... 详细信息

针对物料在气力输送过程中特别是弯管部分易破碎的问题,采用计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合模拟弯管内的柱状颗粒气力输送过程,对弯径比k分别为1、2、3、4、6的90°弯管内柱状颗粒的运动状态、碰撞特性、破碎原因及相关的力学特性进行研究。结果表明:球形颗粒与柱状颗粒在输送过程中遵循基本一致的变化规律,同样外部条件下,柱状颗粒的悬浮速度小于球形颗粒。当k=3时气力输送过程颗粒的破碎率最低。同时,颗粒与管壁的碰撞是造成颗粒破碎的主要原因。

关键词：气力输送柱状颗粒弯管数值模拟

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基于直接力浸入边界法的柱状颗粒运动研究

基于直接力浸入边界法的柱状颗粒运动研究

作者：郑乐梅中国计量大学

学位级别：硕士

柱状颗粒在流体中的运动广泛存在于自然界和工业应用中,对工业应用中的流动阻力、换热和物质输送过程有着重要的影响。研究柱状颗粒的运动对颗粒粒度仪等仪器中的微小颗粒大小的筛选和颗粒粒径的测量具有重要意义。本文基于直接力浸入... 详细信息

柱状颗粒在流体中的运动广泛存在于自然界和工业应用中,对工业应用中的流动阻力、换热和物质输送过程有着重要的影响。研究柱状颗粒的运动对颗粒粒度仪等仪器中的微小颗粒大小的筛选和颗粒粒径的测量具有重要意义。本文基于直接力浸入边界法对柱状颗粒在线性剪切流场中的运动进行了数值模拟研究,对双柱状颗粒沉降进行了实验和数值模拟研究。首先,对单柱状颗粒在线性剪切流场中的运动进行了数值模拟研究。研究结果表明,线性剪切流场影响柱状颗粒表面的压力分布,使颗粒在流场中旋转,旋转速度随力矩的变化而周期性变化;随着颗粒雷诺数的增加,颗粒的跟随性减小、速度减小和旋转周期增大。其次,对双柱状颗粒在线性剪切流场中的运动进行了数值模拟研究。研究结果表明,双柱状颗粒在线性剪切流场中易向速度大的流体区域运动;前后两颗粒运动状态和轨迹不同,颗粒之间距离较近时,曳力会产生较大的波动;只有当双柱状颗粒在壁面附近,且颗粒与流体的密度比较大时,滞后颗粒才能追上领先颗粒,两颗粒发生牵引、翻滚和分离过程;双柱状颗粒在线性剪切流场中的迁移受到颗粒之间的初始距离的影响较小。最后,对双柱状颗粒沉降进行了实验和数值模拟研究。研究结果表明,在不同双柱状颗粒与壁面的初始距离下,滞后颗粒都可以追上领先颗粒,颗粒之间发生牵引、翻滚和分离过程。壁面对双柱状颗粒的最终沉降速度影响较小,最后双颗粒保持一定的速度进行沉降。

关键词：柱状颗粒线性剪切流壁面直接力浸入边界法

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深海采矿扬矿泵内柱状颗粒固液两相流研究

深海采矿扬矿泵内柱状颗粒固液两相流研究

作者：叶和宇江苏大学

学位级别：硕士

深海是人类资源的一大宝库,21世纪是海洋开发的世纪。深海采矿扬矿泵是深海采矿系统中的关键动力部件,由于输送介质复杂多样,极易对泵内部件造成损坏。在对固液两相流研究时,基本采用球形颗粒,而实际工程中多为非球形颗粒。因此本文以... 详细信息

深海是人类资源的一大宝库,21世纪是海洋开发的世纪。深海采矿扬矿泵是深海采矿系统中的关键动力部件,由于输送介质复杂多样,极易对泵内部件造成损坏。在对固液两相流研究时,基本采用球形颗粒,而实际工程中多为非球形颗粒。因此本文以柱状颗粒为例,对泵内非球形颗粒固两相流进行研究,探索了泵内柱状颗粒的运动规律。本文在国家自然科学基金(51979124)的支持下,采用试验测试和数值计算相结合的方法对深海采矿扬矿泵内柱状颗粒固液两相流进行研究,主要分析了扬矿泵在输送清水和颗粒时的内流特性,以及不同物性参数颗粒的运动轨迹、运动速度、过泵时长和碰撞规律等运动特性。论文的主要工作和主要结论如下:1、对球形颗粒和圆柱形颗粒在固液两相流泵内部流动时的受力进行了理论分析,对比其受力的差异。通过对颗粒受力量级大小的比较,忽略颗粒在运动过程中影响较小的力,从而优化了不同形状颗粒在运动时的受力情况,以及流体和颗粒的控制方程。2、搭建了扬矿泵固液两相流可视化测试试验台,对模型泵在输送不同工况清水和不同物性参数颗粒时进行了外特性测试,分析了在输送不同工况下清水和不同形状颗粒(球形和圆柱形)、不同密度圆柱形颗粒和不同浓度圆柱形颗粒时的能量性能变化情况。3、利用高速摄影技术对模型泵首级导叶和次级导叶单流道内不同物性参数下颗粒的运动特性进行了可视化试验,试验研究了不同导叶内不同形状、不同密度和不同浓度颗粒的运动特性,得到了不同物性颗粒的运动轨迹、运动速度、过泵时长和碰撞规律等。4、采用CFD-DEM耦合计算的方法对泵输送不同物性参数的颗粒时泵内流场进行了数值计算,分析了泵在输送流体和颗粒时的外特性,以及颗粒的运动规律。

关键词：扬矿泵运动特性柱状颗粒固液两相流高速摄影 CFD-DEM