稠密气固两相流中粗糙颗粒的碰撞机理及动力学模型研究

稠密气固两相流动中的真实颗粒都是表面粗糙的，然而在欧拉-欧拉模拟方法中还是沿用着基于光滑颗粒的动力学模型。现有研究表明，粗糙颗粒的碰撞和旋转运动对稠密气固两相流动行为具有显著影响。本项目考虑粗糙颗粒的碰撞动力学，采用三参数描述颗粒间碰撞机制，理论推导颗粒间碰撞产生的宏观输运系数；同时考虑粗糙颗粒的平动和旋转运动，推导颗粒平动和旋转的速度与能量守恒方程以及壁面边界条件，建立用于欧拉-欧拉方法的粗糙颗粒动力学模型。采用高速摄像仪进行粗糙颗粒的碰撞试验，提供模拟所需的碰撞参数；采用欧拉-拉格朗日方法模拟和冷态试验研究，为粗糙颗粒动力学模型的评估分别提供微观和宏观的依据。最终，基于粗糙颗粒动力学模型模拟研究稠密气固两相流动特性，为正确预测两相流动、传热和化学反应等过程奠定基础。

稠密气固两相流动的双流体模拟常用颗粒动力学模型，该模型假定颗粒光滑、忽略颗粒旋转，仅采用单一物性参数表征颗粒碰撞行为。实际颗粒都是表面粗糙的，为此，采用三物性参数——摩擦系数、法向和切向恢复系数——描述颗粒碰撞，并基于颗粒平动和旋转运动，推导了颗粒质量、动量和能量的宏观输运方程；通过对颗粒与颗粒的碰撞积分得到了颗粒相本构关系，通过对颗粒与壁面的碰撞积分得到了壁面边界条件，建立了全新、完整的粗糙颗粒动力学模型。. 结合粗糙颗粒动力学模型和双流体方法，数值模拟了鼓泡流化床内气固流动。模拟结果和离散颗粒模型模拟结果相接近，从而验证了模型的理论正确性；模拟结果和实验结果的相一致也表明了模型的实际可靠性。通过数值模拟，对模型参数进型了敏感性分析，发现摩擦系数和法向恢复系数对微观颗粒的动能、平动和转动脉动能都有显著影响，从而在宏观上改变床内的瞬态非均匀结构、床层膨胀和脉动；而切向弹性系数的影响则相对较小。对比实验数据，发现壁面摩擦系数对提高模拟准确性至关重要。对于壁面边界，发现考虑颗粒旋转效应后，壁面应力和热流率的预测将更准确。此外，考虑颗粒表面局部凹凸缺陷，在离散颗粒模型中引入了随机性碰撞参数。模拟结果发现，缺陷导致的碰撞随机性会降低碰撞过程中的能量耗散。. 研究结果揭示了粗糙颗粒的运动和碰撞特征，为颗粒动力学理论模型及其模型参数的选择提供了依据，有助于提高数值模拟稠密气固两相流动的准确性。