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稠密气固两相流动中颗粒聚集现象的研究

刘敏  
【摘要】:提出了数值模拟稠密气固两相流动的多重格子-真实轨道模型(MLAT模型)。模型能够对颗粒运动和碰撞过程在较小计算量下进行真实模拟,为开展稠密气固两相流动中颗粒聚集现象的机理研究奠定了基础。 系统地提出了对稠密气固两相流动中颗粒聚集现象进行定量评价的参数和方法。对于颗粒分布的整体特征:用碰撞频率的大小估计颗粒聚集的强弱;用颗粒体积分数的标准偏差评价颗粒分布的不均匀程度;定义了相关系数来衡量两个颗粒场分布特征的相似性。对于颗粒分布的细节特征:用颗粒体积分数的概率分布和颗粒数分布曲线来描述;定义了高密集区域颗粒数目比例和稀疏区域面积比例反映颗粒分布的特征部分。通过对竖直槽道内稠密气固流动进行数值模拟表明,这些评价标准是可行和合理的。 应用多重格子-真实轨道模型实现了方形区域内稠密气固两相流动中颗粒聚集从无到有的数值模拟。研究表明颗粒间相互碰撞和气相流场分布不均匀是导致颗粒聚集的重要原因。颗粒碰撞恢复系数越小、颗粒初始体积分数越大,则颗粒聚集现象越明显。在存在颗粒碰撞条件下,颗粒聚集总是发生在气相运动活性较低的区域,而气相运动活性的高低由其时均速度和脉动速度的大小来衡量。颗粒是通过相互碰撞到达气相运动活性较低的区域的而形成富集的。 应用多重格子-真实轨道模型实现了竖直上升槽道内稠密气固两相流动的数值模拟,成功预报了颗粒在壁面附近的聚集和下沉行为。沿截面颗粒速度分布和颗粒体积分数分布与已有实验和数值计算结果定量符合。分析表明,气相在壁面附近运动活性低使颗粒离开该区域能力减弱,而颗粒相互碰撞则使其他区域的颗粒能够到达该区域,这两个因素是造成颗粒分布环-核结构的决定性原因。而重力以及颗粒与壁面间的碰撞作用并非决定性因素。减小槽道宽度和增加颗粒粒径会减弱壁面附近颗粒聚集的程度。 基于多重格子-真实轨道模型提出虚拟颗粒模型。该模型能进一步大幅降低计算量,预报的颗粒相速度与MLAT模型的预报结果定量相符,颗粒体积分数分布定性相符,为数值模拟大尺度和复杂工况下的稠密两相流动奠定了基础。


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