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二维及三维矩形喷动床中大颗粒流场特性数值研究

柳鹏飞  
【摘要】:喷动床最早出现于上世纪50年代中期,起初主要作为干燥设备用于对小麦、稻谷等农作物的烘干处理,由于其内部颗粒有规律的循环搅动,使得喷动床技术各种新的应用被研究者们不断发掘出来,现已普遍应用在农业生产、金属冶炼、化工生产、食品加工、制药研制等诸多领域。在对喷动床气固两相流进行探究时,传统上以理论分析和试验方法为主,随着所考虑影响因素的增加,使得实验成本加重,再者由于现阶段测量手段的制约,导致探究设备内部流动结构、流变规律变得非常困难。近年来,随着计算机技术的飞速发展和数学数值算法的逐渐完善,使得以计算流体力学为基本原理的数值计算逐渐发展为探索喷动床内流动的重要手段之一。本文采用欧拉-欧拉双流体模型与颗粒动理学理论相结合进行数值计算研究,分别分析了不同填充高度和不同维度下矩形喷动床中大颗粒流场的流动规律。为节约计算资源,模拟中不同维度喷动床的几何模型均采用轴(轴面)对称的形式划分网格。主要研究内容和结论如下:第一部分:针对Zhang等~([20])的矩形喷动床选用五种不同的曳力模型和四种不同的径向分布函数模型分别进行数值计算,从而得到不同模型下的颗粒体积分数分布云图、颗粒轴向速度的轴向分布以及颗粒轴向速度的径向分布。并参考相关实验结果,得到最佳的曳力模型以及合适的径向分布函数,它们分别为Huili-Gidaspow模型和Lun模型。第二部分:将上文中获得的最佳曳力模型以及合适的径向分布函数模型作为基本的边界条件,针对不同填充高度以及二维和三维下的矩形喷动床,将颗粒与颗粒碰撞恢复系数e_(ss)、颗粒与壁面碰撞恢复系数、颗粒与壁面滑移系数、摩擦填充极限α_f作为模型参数,探讨这些参数对矩形喷动床中大颗粒流场影响的规律,通过与相关实验值对比获得最优值。得到受填充高度的影响较明显,α_f受不同维度的影响显著,而当e_w=0.3、(?)=0.1时,在两种填充高度处和不同维度下所得计算结果均较为合适。最后通过对比二维和三维喷动床的颗粒体积分数分布云图、颗粒轴向速度的轴向分布以及颗粒轴向速度的径向分布,探讨不同维度下喷动床内气固相的流场规律。


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