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人工心瓣用热解炭气相沉积气固两相流动与传热特性的CFD-DEM数值模拟

人工心瓣用热解炭气相沉积气固两相流动与传热特性的CFD-DEM数值...

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作者：王丽雅杭州电子科技大学

学位级别：硕士

心脏作为维持正常生活的最重要器官之一,先天性心脏瓣膜畸形和由风湿性心脏病、心脏机能退化以及细菌感染等而引起的后天性心脏瓣膜问题,可能会导致心脏瓣膜功能障碍。目前,心脏瓣膜置换是治疗心脏瓣膜疾病的主要方法。在临床使用中最... 详细信息

心脏作为维持正常生活的最重要器官之一,先天性心脏瓣膜畸形和由风湿性心脏病、心脏机能退化以及细菌感染等而引起的后天性心脏瓣膜问题,可能会导致心脏瓣膜功能障碍。目前,心脏瓣膜置换是治疗心脏瓣膜疾病的主要方法。在临床使用中最常用到的是机械式全炭双叶型人工心瓣,主要采用流化床-化学气相沉积工艺(fb-cvd),通过在各向同性的石墨基体表面涂覆上性能优异的低温各向同性热解炭(LTIC)而制成人工心瓣的瓣片和瓣架。然而,fb-cvd热解炭沉积过程中炉内流化床的流化状态以及化学反应的发生会影响到热解炭涂覆的质量。到目前为止,由于炉内剧烈的热裂解和聚合反应,以及采用实验方法对炉内情况进行监测时还会受到电磁场和高温辐射的影响,导致人们对于fb-cvd过程中的速度场与温度场等的理解还不够清晰。因此有必要对fb-cvd热解炭沉积过程中流化床内的真实气固流动以及传热传质现象进行研究。基于上述认识,本文选择了数值模拟方法,采用基于曳力平均的coarse-grained CFD-DEM(CGM)方法耦合传热模型。在热解炭化学气相沉积过程中,Zr O空心颗粒担任着床层粒子兼热载体的重要角色,因此本文将Zr O空心颗粒作为固相研究对象,对流化床内稠密气固两相流动、混合特性以及传热特性进行数值模拟研究,研究成果如下:(1)选择离散元法Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,通过测量物理试验和仿真试验得到的Zr O空心颗粒堆积角,对其接触参数进行标定。得到了Zr O空心颗粒间以及颗粒与石墨材料间的摩擦系数和恢复系数,填补了Zr O颗粒物料参数在离散元仿真中的空白。(2)采用CGM方法,从颗粒角度研究了流化风速对Zr O空心球颗粒的混合特性(颗粒分布、颗粒运动和Lacey混合指数)的影响。研究结果表明,在流化床内,合理范围内增加气体流速可以加速混合过程,而且径向混合对流化风速的敏感性高于轴向混合;此外由于炉体内颗粒沿径向稠密程度不同,造成颗粒碰撞次数以及所受曳力影响也有较大差异,喷泉区的颗粒速度变化较为明显,而靠近壁面的环隙区颗粒速度分布则较为平滑。(3)采用耦合传热模型的CGM方法,研究入口气速对气固传热特性的影响。研究发现,入口气速对床层内颗粒的温度分布和换热有重要影响,入口气体速度与颗粒平均温度呈线性关系,入口气体速度的增加,会直接促进床层内的换热过程;而且在本文研究工况下,颗粒温度的PDF分布在气速为6.0 m/s时比8.0 m/s时更为狭窄;此外发现在fb-cvd热解炭沉积过程中,颗粒-流体对流传热在总传热量中所占比例为50%左右,贡献最大,在导热传热模式下产生的热通量在总的热传递中是一个相对较小的部分。

关键词： fb-cvd 热解炭 coarse-grained CFD-DEM 气固两相流混合特性传热特性

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