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《东北大学 》 2009年
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基于离散单元法气力输送的数值模拟研究

匡世波  
【摘要】:采用气力输送将散料从一个地方输送到另一个地方是化工、冶金、农业加工过程中最为常用的方法。这种散料输送方法对环境污染小、操作灵活、能够全部自动化。但是,它同时也可能存在如下诸多问题,即能量消耗大、输送设备磨损、输送管道堵塞、输送颗粒质量降级。因此,掌握气力输送过程中各种物理过程有助于该系统的设计和优化。 本论文开发了一个基于散单元法(DEM)和计算流体力学(CFD)的三维数学模型。该模型能够用来模拟直管和弯管中散料的气力输送过程。CFD-DEM模型将颗粒相看作离散介质,每个颗粒的运动用牛顿第二定律通过DEM求解;而将流体看作连续介质,其流动采用局部平均的Navier-Stokes方程进行描述,并采用传统的CFD求解。它能再现气力输送中大量物理过程,并给出详细的颗粒尺度的信息(如颗粒轨迹、速度、作用力)。这些信息有助于了解气力输送的机理。本文的CFD是基于非交错适体网格的控制容积法,为了提高计算效率和稳定性,在所开发的CFD-DEM模型中实施了一些新的计算方法,这包括,(1)将颗粒和网格位置联系在一起的颗粒搜索方法;(2)气体物理量的最小二乘插值方法;(3)流动方向颗粒气体周期边界条件;(4)用于计算空隙度和颗粒-流体体积力的球形单元概念。数值结果和实验结果对比表明,所开发的CFD程序能定量的预测顶盖驱动、中间包以及钢包内流体流动;所开发的CFD-DEM程序能定量地预测水平料栓流的料栓速度、沉降高度、颗粒速度,以及垂直稀相输送中的气体压降与平均空隙度。 采用开发的CFD-DEM研究了水平稳态料栓流、水平料栓的非稳定运动以及垂直气力输送中散料流动模式,并针对每个算例进行了详细的力学分析。数值结果表明,所开发的模型能捕捉气力输送中如下重要流动特征,(1)水平稳态料栓中料栓与沉降层中颗粒交换、气体压力特征、颗粒速度-料栓速度-气体速度三者之间的关系、固体气体流率对料栓速度和长度的影响;(2)水平料栓的非稳定运动,包括料栓的启动、形成、坍塌、合并、以及水平料栓流周期特征;(3)垂直气力输送中散料流动模式以及流动转换,这些数值结果与实验结果是一致的。 力学分析得到了如下结论,(1)从宏观尺度上看,水平料栓的运动是由轴向颗粒-壁面和颗粒-流体作用力所支配,从微观尺度上看,颗粒-颗粒作用力让料栓铲起其前面沉降层的颗粒,而且上述这些作用力随颗粒流量和气体速度的增加而增加;(2)当水平料栓从静止状态启动并达到稳定运动状态过程中,料栓内法向接触力的结构在管道轴向依次会出现均匀、非均匀、以及均匀三种分布;(3)垂直气力输送中,气体速度与压强关系的机理可用颗粒-流体力和气体-壁面摩擦力进行解释,而且,采用颗粒作用力建立起来的力学相图能够识别垂直气力输送中的稀相流动和密相流动。
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