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。
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数据更新时间:2023-05-31
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