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《南京工业大学》 2004年
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料仓内散体流动的数值模拟研究

肖国先  
【摘要】:对于散体的流动行为,在已有的研究中,往往从宏观角度描述其现象,而从微观角度研究颗粒特性与其流动行为之间的内在联系尚显得不够。对一些现象不能给出令人信服的解释,更无法根据规律去控制和开发散体的流动新设备。本文以料仓内颗粒流动为研究对象,在颗粒流动理论研究的基础上,建立描述颗粒与颗粒、颗粒与壁面间相互作用的力学模型;采用颗粒离散法编制出模拟颗粒流动的计算程序,系统地开展颗粒流动行为的数值模拟研究。本文利用所开发的颗粒流动计算程序可模拟物料在仓内静止或流动的行为特征及仓壁应力分布。开发的计算程序包括装有改流体的料仓内颗粒运动描述和预测,它可用于装有改流体料仓的数值模拟,有助于开发改进料仓内颗粒流动的助流装置;在计算程序中引入了液桥力模型,也可有效地模拟仓内湿颗粒的流动。 ·料仓内颗粒流动的数值模拟 通过数值模拟料仓内颗粒卸料的质量流率与料仓半顶角、仓底开口尺寸、颗粒粒径分布、颗粒摩擦特性、仓壁摩擦特性等参数的关系和颗粒流动形态,揭示了散体在仓内重力流动过程的基本规律,为料仓设计提供了基本依据。数值模拟研究结果表明:料仓卸料过程分为时间很短的初始加速段和质量流率基本围绕某一恒定值发生脉动变化的流动稳定段。整体流料仓质量流率比漏斗流料仓大,并且流率的波动较小、流动较为稳定。仓内颗粒流动是左右非对称流的反复过程,在左右流动交替的瞬间,在总体上流动是对称的,此时很容易形成动态拱,在拱形成的前一瞬间,料仓壁受到冲击力作用。料仓开口尺寸减小,质量流率下降,排料速率与开口尺寸呈非线性关系;料仓开口尺寸小于最大颗粒直径4倍时,容易在料仓出口附近成拱。颗粒内摩擦系数μ增加,卸料质量流率W_s降低,W_s与μ的关系式为W_s=205.83×exp(0.095/(μ+0.176))。仓壁摩擦系数μ_w增大,卸料质量流率也降低,质量流率W_s与壁摩擦系数μ_w的关系为W_s=322.5-413.9μ_w+739.3μ_w~2-647.8μ_w~3+211.4μ_w~4。 料仓半顶角从90°向30°减少时,质量流率增加。料仓从漏斗流型向整体流型转换的角度为40-45°。颗粒粒径分布宽,颗粒群中小颗粒多,结拱的机会减少,料仓卸料的质量流率增加。直径较小的料仓,卸料速率随仓直径增加而下降;当料仓直径增加到一定程度后,卸料速率基本不发生变化,质量流率与料仓直径D/开口直径B的关系式为W_s=4421.8-2766.8×(D/B)+608×(D/B)~2-44.7×(D/B)~3。三维平底料仓卸料可分四个区域:整体流区、动力平衡区、自由下落区和死料区。死区的形状呈抛物面状,其边界与水平面所成的角度约为57°。
【学位授予单位】:南京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TQ021

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