（應用數(shù)學專業(yè)論文）隨機粒徑流化床的lagrange模擬.pdf

西北工業(yè)大學碩 卜 學位論文 摘要 本文基于顆粒軌道模型 建立了顆粒直徑服從隨機分布的軟球方法和硬球力 法 其中流體運動用兩相禍合 體積平 均的 n a v i e r s t o k e 方程描述 果 臾 粒運 動 滿足牛頓第二定理 兩相間的禍合由牛頓第三定理確定 本文分為三個部分對隨 機粒徑流化床中的 動態(tài)行為進行了數(shù) 值模擬 1 根據(jù) c u n d a l l 和s t r a c k 提出的d e m 建立了 固相顆粒直 徑服從隨機分 布的軟球方法 模擬了隨機粒徑流化床中單孔 雙孔 三孔分布板中氣泡的形成 上升 破裂過程以及節(jié)涌現(xiàn)象 并分別研究了表觀氣速 粒徑分布 顆粒剛度系 數(shù)不同時 固相顆粒的 速度分布規(guī)律 其研究結(jié)果表明 表觀氣速和分布板結(jié)構 對氣泡行為及顆粒軸向速度均有一定影響 隨表觀氣速的增加 氣泡形成 上 升 破裂的速度加快 且顆粒軸向速度也相應增大 并且剛度系數(shù)越大 顆粒軸向速 度隨時間衰減越快 寬粒徑分布的 顆粒軸向 速度大于窄粒徑分布的 顆粒軸向 速 度 2 基于動量定理處理顆粒間的碰撞 建立了固相顆粒直徑服從隨機分布的 硬球方法 改 進了 粒徑服從隨機分布的 顆粒碰撞搜索 技術 模擬了單孔 雙孔 三孔分布板中 氣泡的形成 上升 破裂過程以 及流化床中的節(jié)涌現(xiàn)象 并 研究了 粒徑分布不同時 固相顆粒的速度分布規(guī)律 研究結(jié)果 表明 分布板中 孔的個數(shù) 不同 氣泡行為也不同 寬粒徑分布的顆粒軸向速度大于窄粒徑分h的顆粒軸 句 速度 3 為了比較硬球模擬與軟球模擬的 差異 用硬球方法和軟球方法分別模擬 了隨機粒徑流化床中的動態(tài)行為 比較了顆粒平均速度及顆粒運動軌跡的差異 研究了 恢復系數(shù)對流化床中動態(tài)行為 顆粒平均速度的影響 研究結(jié)果表明 對 流化床中動態(tài)行為進行模擬的數(shù)值結(jié)果強烈地依賴 于 恢復系數(shù) 恢復系數(shù)較小 時 硬球方法可以模擬出 鼓泡現(xiàn)象 恢復系數(shù)較大時 軟球力 一 法可以 模擬出 鼓泡 現(xiàn)象 并且硬球方法和軟球方法中的恢復系數(shù)對顆粒平均速度有截然不同的影 響 恢復系數(shù) 越大時 硬球方法中顆粒平均速度隨時間的 變化 越大 而軟球方法 中顆粒平均速度隨時i h 1 的變化越小 盡管硬球方法比軟球方法更加準確地考慮 j 顆粒碰撞 但由于硬球方法和軟球方法處理顆粒碰撞方式的不同 以及顆粒碰撞 西北了 業(yè)大學碩十學位論文 時間步長選取原則的差異 使得硬球模擬需要的計算時間遠大于軟球模擬 a 要的 i f 一 算時i ri 1 關鍵詞 氣固流化床 軟球方 法 硬球方 法隨機粒徑 鼓泡節(jié)涌 顆粒速度 恢復系數(shù) 西北 業(yè)大學硬 卜 學位論文 abs tract i n t h e e n g i n e e r i n g p a rt i c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d s o m e d i s t r i b u t i o n r u l e s i n g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s b u t w h ic h i s n t o b e y e d i n p r e v i o u s s t u d i e s b a s e d o n t h e p a r t i c l e m o t i o n r e s o l v e d d i s c r e t e m o d e l a s o f t s p h e r e m e t h o d a n d a h a r d s p h e r e m e t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d i z a t i o n a r e e s t a b l i s h e d i n w h ic h p a rt i c l e d i a m e t e r s o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n i n o u r m o d e l t h e p a rt i c l e s m o t i o n i s d o mi n a t e d b y u s i n g t h e n e w t o n s s e c o n d l a w a n d fl u i d m o t i o n i s d e s c r i b e d b y t h e n a v i e r s t o k e s e q u a t i o n t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t w o p h ase i s t r e a t e d b y t h e th i r d n e w t o n i a n t h e o r y d y n a m i c b e h a v i o r s i n t h e g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s a r e s i m u l a t e d f o r t h r e e p a r t s f i r s t l y a s o ft s p h e r e m e t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d i z a t i o n i s e s t a b l i s h e d i n w h ic h p a r ti c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n t h e a b o v e me n t i o n e d m o d e l h as b e e n u s e d f o r s i m u l a t i n g b u b b l i n g a n d s l u g g i n g b e h a v i o r s i n t h e fl u i d i z e d b e d s t h e n t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f s o l i d v e l o c i t i e s a r e s t u d i e d w h e n g a s s u p e r f i c ia l v e l o c i t i e s s t i f f n e s s a n d d i s t r i b u t i o n s o f p a rt i c l e d i a m e t e r s a r e d i f f e r e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t r u c t u r e o f d i s t r i b u t o r a n d g a s s u p e r f i c i a l v e l o c i t y h a v e s o m e i n fl u e n c e s o n t h e b u b b l i n g p h e n o m e n a a n d t h e f o r m a t i o n r i s e a n d b r e a k o f b u b b l e s a r e a c c e l e r a t e d wi t h in c r e a s i n g t h e g a s s u p e r fi c i a l v e l o c it y t h e b i g g e r t h e s t i f f n e s s i s t h e q u i c k e r t h e a x i a l s o l i d v e l o c i t i e s d e c a y s w i t h i n c r e a s i n g t i m e a t t h e s a m e t i m e t h e a x i a l s o l i d v e l o c i t i e s o f w i d e d i s t r i b u t i o n f o r d i ff e r e n t p a r t i c l e d i a me t e r s a r e b i g g e r t ha n t h a t o f n a r r o w di s t r i b u t i o n s e c o n d l y a h a r d s p h e r e me t h o d u s e d f o r t h e s i mu l a t i o n o f fl u i d iz a t i o n e s t a b l i s h e d i n w h i c h p a rt i c l e d i a me t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n a t t h e s a m e t i m e t h e s e a r c h i n g s t r a t e g y o f p a rt i c l e c o l l i s i o n i s a l s o i m p r o v e d t h e a b o v e m e n t i o n e d m e t h o d h a s b e e n u s e d f o r s i m u l a t i n g b u b b l i n g a n d s l u g g i n g b e h a v i o r s i n t h e fl u i d i z e d b e d s an d t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f s o l i d v e l o c it i e s a r c s t u d i e d w h e n d i s t r i b u t i o n s o f p a r t i c l e d i a m e t e r s a r e d i f f e r e n t s i m u l a t i o n r e s u l t s 西北工業(yè)人學碩 卜 學位論文 i n d i c a t e t h a t t h e s t r u c t u r e o f d i s t r i b u t o r h a s d i s t i n c t i n flu e n c e s on b e h a v i o r s mo r e o v e r t h e a x i a l s o l i d v e l o c it i e s o f wi d e d i s t r i b u t i o n t h e b u b b li n g f o r di ffe r e n t p a r t i c l e d i a me t e r s a r e b i g g e r t h a n t h a t o f n a r r o w d i s t r i b u t i o n t h i r d l y i n o r d e r t o c o m p a r e t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n h a r d s p h e r e me t h o d a n d s o ft s p h e r e m e t h o d t h e d y n a mi c b e h a v i o r s i n g a s s o l id fl u i d i z e d b e d s a r e s i mu l a t e d b y h a r d s p h e r e m e t h o d a n d s o ft s p h e r e m e t h o d i n w h i c h p a r t i c l e d i a m e t e r s a r e o b e y e d r a n d o m d i s t r i b u t i o n a n d p a r t i c l e a v e r a g e v e lo c i t i e s w i t h i n c r e a s i n g t i me a n d p a rt i c l e t r a j e c t o r i e s a r e c o m p a r e d a t t h e s a m e t i me t h e d y n a m i c b e h a v i o r s i n f l u i d i z e d b e d s a n d t h e d i s t r i b u t i v e r u l e s o f p a r t i c le a v e r a g e v e l o c i t y a r e a l s o s t u d i e d w h e n r e s t i t u t i o n c o e ffi c i e n t s a r e d i ff e r e n t s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t s o f h a r d s p h e r e m e t h o d a n d s o ft s p h e r e me t h o d h a v e d i s t i n c t i n fl u e n c e o n p a rt i c l e a v e r a g e v e l o c i t i e s t h e b u b b l i n g p h e n o m e n a c a n b e s i mu l a t e d b y h a r d s p h e r e m e t h o d wh e n r e s t i t u t i o n c o e ff i c i e n t s a r e s ma l l e r w h i l e i t c a n b e s i mu l a t e d m e t h o d w h e n r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t s a r e b i g g e r t h e b i g g e r r e s t i t u t i o n b y s o f t s p h e r e c o e mde n t s a r e t h e l a r g e r a r e t h e c h a n g e o f p a r t i c l e a v e r a g e v e lo c i t i e s i n h a r d s p h e r e m e t h o d b u t t h e s m a l l e r a r e t h e c h a n g e o f p a rt i c l e a v e r a g e v e l o c i t ie s i n s o ft s p h e r e m e t h o d m o r e o v e r t h e c p u t i me i n h a r d s p h e r e m e t h o d i s mu c h b i g g e r t h a n t h a t o f s o f t s p h e r e m e t h o d d u e t o t h e d i ff e r e n t w a y s i n d e a l i n g w i t h t h e c o l li s i o n s a n d t h e d i ff e r e n t t i m e s t e p o f p a r t i c l e c o l l i s i o n s k e y w o r d s g a s s o l i d fl u i d i z e d b e d s o f t s p h e r e m e t h o d h a r d s p h e r e mo d e l r a n d o m p a r t i c l e d i a m e t e r s b u b b l e s l u g p a rt i c l e v e l o c i t y r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t i v 西北工業(yè)人學q 學位論義 第一章 緒 論 多 相流在實際生活中 隨處可 見 近年來隨著七 業(yè)的發(fā) 展 多相流在工業(yè)中 的 應用已 經(jīng)非常廣泛 燃燒過程中細微顆粒物的形成和長大 循環(huán)流化床的燃煤鍋 爐 利用顆粒分離特性所起的 環(huán)保性能 和充分的 燃燒 冶金燒結(jié)一 藝 氣體輸送 粉末顆粒等等都是多相流在工業(yè)中的 應用 在自 然現(xiàn)象中 人之 l i l l 霧和雨 的形成 山體滑坡時的 泥石流 刮風時灰塵 空氣 水分一 起構 成的流動 還有沙漠y 1 常 見的風沙運動等 也都是多相流的現(xiàn)象 氣固兩相流動是多相流動的一個重要研究領域 傳統(tǒng)研究氣lv f 兩相流的方法 是實驗 研究方法和理 論研究方法 實驗研究因為花費時間多 經(jīng)費i j 使得研究 受到經(jīng)濟條件和時間的限制 而理論 研究的許多計算公式都是 準數(shù)學關聯(lián)式 川 且是在一定條件才成立 適用范圍比較窄 近 年來 隨 著計算機硬件的 迅速發(fā)展 氣固兩相流的 數(shù)值模擬方法和實驗研究方法成為相輔 相成的研究手段 數(shù)值 模擬 省時又省力 它既可以 模擬復雜 流動的詳細結(jié)構 又可以做孤立因 素的優(yōu) 化分析 在工業(yè)中 氣固兩相流的 數(shù)值模 擬與實驗 手段相互結(jié)合 為實際應用提供了 新的 研究方法 并對未來的 研究提供了預 測手段 但是影響 氣固兩相流動的因素 很多 也很復雜 有許多因素使得氣固兩 相流的 機理還不清楚 給出具體的受力農(nóng) 達式 就很困難 所以不可能全面考慮顆粒的受力情況 這還有待于我們進步的研究 互 氣 固流化床及流態(tài)化的研 究概況及意義 氣固流化床指粒狀固體與流體接觸時 固體的行為表現(xiàn)出一些類似于沸騰液 體的 性質(zhì) 呈現(xiàn)此種狀態(tài)的固體 床層稱為 流化床 流態(tài)化是指粒狀固體通過 與流體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作 l 1 流態(tài)化是一門研究和處理工業(yè)過程中固體顆粒與氣相 液相 氣液相之間的 混合 傳質(zhì) 傳熱的多相流技術 在流化床內(nèi) 細顆粒始終懸浮于流體中并激烈 運動 整個床層象沸騰的水那樣 具有類似液體的自由流動性 這種操作力 一 式能 夠強化物質(zhì)擴散過程 提高反應速度 提高傳熱效率 對于催化劑壽命較短或需 頻繁再 生的場合更具 有優(yōu)越性 因此流態(tài)化技術自 二 戰(zhàn)期間人規(guī)模土 業(yè) 化以 來 受到工程界 學術界的關注 并以其獨特的優(yōu)勢不斷向固定床 藝發(fā)起挑戰(zhàn) 迄 西北工業(yè)人學q 學位論義 第一章 緒 論 多 相流在實際生活中 隨處可 見 近年來隨著七 業(yè)的發(fā) 展 多相流在工業(yè)中 的 應用已 經(jīng)非常廣泛 燃燒過程中細微顆粒物的形成和長大 循環(huán)流化床的燃煤鍋 爐 利用顆粒分離特性所起的 環(huán)保性能 和充分的 燃燒 冶金燒結(jié)一 藝 氣體輸送 粉末顆粒等等都是多相流在工業(yè)中的 應用 在自 然現(xiàn)象中 人之 l i l l 霧和雨 的形成 山體滑坡時的 泥石流 刮風時灰塵 空氣 水分一 起構 成的流動 還有沙漠y 1 常 見的風沙運動等 也都是多相流的現(xiàn)象 氣固兩相流動是多相流動的一個重要研究領域 傳統(tǒng)研究氣lv f 兩相流的方法 是實驗 研究方法和理 論研究方法 實驗研究因為花費時間多 經(jīng)費i j 使得研究 受到經(jīng)濟條件和時間的限制 而理論 研究的許多計算公式都是 準數(shù)學關聯(lián)式 川 且是在一定條件才成立 適用范圍比較窄 近 年來 隨 著計算機硬件的 迅速發(fā)展 氣固兩相流的 數(shù)值模擬方法和實驗研究方法成為相輔 相成的研究手段 數(shù)值 模擬 省時又省力 它既可以 模擬復雜 流動的詳細結(jié)構 又可以做孤立因 素的優(yōu) 化分析 在工業(yè)中 氣固兩相流的 數(shù)值模 擬與實驗 手段相互結(jié)合 為實際應用提供了 新的 研究方法 并對未來的 研究提供了預 測手段 但是影響 氣固兩相流動的因素 很多 也很復雜 有許多因素使得氣固兩 相流的 機理還不清楚 給出具體的受力農(nóng) 達式 就很困難 所以不可能全面考慮顆粒的受力情況 這還有待于我們進步的研究 互 氣 固流化床及流態(tài)化的研 究概況及意義 氣固流化床指粒狀固體與流體接觸時 固體的行為表現(xiàn)出一些類似于沸騰液 體的 性質(zhì) 呈現(xiàn)此種狀態(tài)的固體 床層稱為 流化床 流態(tài)化是指粒狀固體通過 與流體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作 l 1 流態(tài)化是一門研究和處理工業(yè)過程中固體顆粒與氣相 液相 氣液相之間的 混合 傳質(zhì) 傳熱的多相流技術 在流化床內(nèi) 細顆粒始終懸浮于流體中并激烈 運動 整個床層象沸騰的水那樣 具有類似液體的自由流動性 這種操作力 一 式能 夠強化物質(zhì)擴散過程 提高反應速度 提高傳熱效率 對于催化劑壽命較短或需 頻繁再 生的場合更具 有優(yōu)越性 因此流態(tài)化技術自 二 戰(zhàn)期間人規(guī)模土 業(yè) 化以 來 受到工程界 學術界的關注 并以其獨特的優(yōu)勢不斷向固定床 藝發(fā)起挑戰(zhàn) 迄 西北j業(yè)大學碩 i s 學位論文 今為止 流態(tài)化技術已滲透到石油 化工 冶金 原子能 環(huán)保 材料 生物一 程 小 麥 分 級 礦物 分 選 谷 物 風 選等 工 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 領 域 2 1 流態(tài)化研究既具有工程學科的復雜性 又擁有基礎研究的難度 囚此流態(tài)化 是兼基礎理論 應用開發(fā) 多學科交叉的工程基礎學科 其研究成果對國民經(jīng)濟 具有重要的作用 隨著 2 1 世紀的來臨工業(yè)正面臨一場新的技術革命 要求先進的 技術來設 計 更清潔的工藝過程 對于流態(tài)化技術的 應用也遇到了 新的挑戰(zhàn) 資源 環(huán)境 人口是新世紀面臨的巨大問 題 合理開發(fā)利用地球資 源 提高生產(chǎn)力與可 持續(xù)發(fā) 展 保護環(huán)境為流態(tài)化技術提供了更加廣闊的市場 在多種工程領域 正等待我 們用新技術 新思維 新方法對流態(tài) 化的 應用加以開拓與 發(fā)展川 1 2論文結(jié)構及 主要工作 論文的結(jié)構安排如下 第一章 介紹氣固流化床的研究意義 第二章 介紹氣固兩相流的研究概況 第三章 介紹氣固兩相流的模擬方法 第四章 介紹本文對氣固流化床進行模擬所用的方法 第五章 分別給出軟球方法和硬球方法的數(shù)值算例 第六章 比較軟球模擬和硬球模擬的差異 實際工程中 氣固 流化 床中 固相粒徑服從一定的分布規(guī)律 但在近年來的研 究中 粒徑都是人為給定而不服從隨機分布 因此具有一定的局限性 本文用概 率 統(tǒng)計中產(chǎn)生隨 機數(shù)的方法隨機產(chǎn)生顆粒直徑 建 了 氣固流化床中顆粒t 1 徑服 從隨機分布的軟球方法和硬球方 法 為真實模擬氣固兩相流動提供了 有效的方 法 本文主要模擬了隨機粒徑流化床中顆粒的動態(tài)行為 主要工作如下 1 用軟球方法模擬了 隨機粒徑流化床中的鼓泡和節(jié) 涌現(xiàn)象 討論了 分布板結(jié)鉤 表觀氣速 剛度系數(shù) 粒徑分布 恢復系數(shù)對模擬的影響 2 用硬球方法模擬了隨機粒徑流化床中的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn)象 討論了 分布板結(jié)構 粒徑分布 恢復系數(shù)對模擬的影響 西北j業(yè)大學碩 i s 學位論文 今為止 流態(tài)化技術已滲透到石油 化工 冶金 原子能 環(huán)保 材料 生物一 程 小 麥 分 級 礦物 分 選 谷 物 風 選等 工 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 領 域 2 1 流態(tài)化研究既具有工程學科的復雜性 又擁有基礎研究的難度 囚此流態(tài)化 是兼基礎理論 應用開發(fā) 多學科交叉的工程基礎學科 其研究成果對國民經(jīng)濟 具有重要的作用 隨著 2 1 世紀的來臨工業(yè)正面臨一場新的技術革命 要求先進的 技術來設 計 更清潔的工藝過程 對于流態(tài)化技術的 應用也遇到了 新的挑戰(zhàn) 資源 環(huán)境 人口是新世紀面臨的巨大問 題 合理開發(fā)利用地球資 源 提高生產(chǎn)力與可 持續(xù)發(fā) 展 保護環(huán)境為流態(tài)化技術提供了更加廣闊的市場 在多種工程領域 正等待我 們用新技術 新思維 新方法對流態(tài) 化的 應用加以開拓與 發(fā)展川 1 2論文結(jié)構及 主要工作 論文的結(jié)構安排如下 第一章 介紹氣固流化床的研究意義 第二章 介紹氣固兩相流的研究概況 第三章 介紹氣固兩相流的模擬方法 第四章 介紹本文對氣固流化床進行模擬所用的方法 第五章 分別給出軟球方法和硬球方法的數(shù)值算例 第六章 比較軟球模擬和硬球模擬的差異 實際工程中 氣固 流化 床中 固相粒徑服從一定的分布規(guī)律 但在近年來的研 究中 粒徑都是人為給定而不服從隨機分布 因此具有一定的局限性 本文用概 率 統(tǒng)計中產(chǎn)生隨 機數(shù)的方法隨機產(chǎn)生顆粒直徑 建 了 氣固流化床中顆粒t 1 徑服 從隨機分布的軟球方法和硬球方 法 為真實模擬氣固兩相流動提供了 有效的方 法 本文主要模擬了隨機粒徑流化床中顆粒的動態(tài)行為 主要工作如下 1 用軟球方法模擬了 隨機粒徑流化床中的鼓泡和節(jié) 涌現(xiàn)象 討論了 分布板結(jié)鉤 表觀氣速 剛度系數(shù) 粒徑分布 恢復系數(shù)對模擬的影響 2 用硬球方法模擬了隨機粒徑流化床中的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn)象 討論了 分布板結(jié)構 粒徑分布 恢復系數(shù)對模擬的影響 兩北下業(yè)大學碩 學位論文 鑒于軟球方法和硬球方法是顆粒軌道模型中兩種平行的 模擬方法 本論文 對 軟 球模擬和硬球模擬的差異進行了比 較 西北丁業(yè)大學碩 學位論義 第二章 氣固兩相流的研究概況 模擬氣固兩相流動主要有三種數(shù)值模擬的模型 雙流體模型 擬顆粒模v 顆粒軌道模型 2 雙流體模型 雙流體模型早在 6 0年代就開始發(fā)展 在氣固流化系統(tǒng)中 從宏觀上講固體 狀態(tài)類似于某種類型的流體 故在許多流化床的模擬中 固體被處理為 擬流體 氣固兩相被認為是連續(xù)且可互相滲透的介質(zhì) 氣相和固相都在 e u l e r 坐標系 下 處 理 控制方程均采用質(zhì)量 動量 能量守恒方程描述 這樣 氣相和固相的計算 可以 采用統(tǒng)一的計算形式和方法 從而 使得大規(guī) 模的計算成為可能 近年來許多 研究者用雙流體模型做了大量的研究 并且取得很大的成就 但是雙流體模型中 的固相連續(xù)性假設使得該模型 不能用以分辨固體狀態(tài)的離散特性 從而阻 礙了 它 在介觀尺度上的模擬研究 2 2擬顆粒模型 擬顆粒模型是一種新型的 模型 該模型把氣體離散為 氣體微團 即氣體被處 理 為 擬 顆 粒的 離 散 介 質(zhì) 固 相 顆 粒也 是 離 散 的 氣 相 和 固 相都 在l a g r a n g e 坐 標 系下處理 擬顆粒模型基于分子層次 又高于分子層次 因 此它能模擬微觀與介 觀層次的一些復雜現(xiàn)象 但是它的 理論體 系還不 完善 2 見 固兩相都被 處理為禹故 介質(zhì) 導致所需的計算量及計算機 內(nèi)存很大 2 3顆粒軌道模型 近年來 隨計算機硬件的迅猛發(fā)展 直接對顆粒進行追蹤的顆粒軌逆模 t t i 到了關注 顆粒軌道模型把流體看作連續(xù)介質(zhì) 固體看作離散顆粒 在e u l e r 標系下處理氣相運動 在 l a g r a n g e 坐標系 下處理離散顆粒的 運動 在顆粒軌道 模型中 有三種主 要的數(shù)值模擬方法 軟 球方 法 硬球方 法 d s m c方 法 西北工業(yè)大學映i 學位論義 2 3 1軟球方法 軟球方法是將顆粒處理為有彈性的球 此方法考慮 的 是顆粒間的多 體碰撞 允許 顆粒發(fā)生如圖2 1 所示的 相互重疊 且顆粒間的相互作用有一定的接觸時間 顆 粒的碰撞分為顆粒與顆粒 顆粒與壁面的碰撞 其中壁 面被看作是速度為零 直徑為無窮大的顆粒 近年來有許多學者用軟球方法對氣固流化床的動態(tài) 行為進行了 研究 c u n d a l l 等人 3 1 最早 應用了 軟球方法 用彈簧 測量變形的影響 阻尼器 測量阻尼的影響 圖 2 1軟球力法 中多個顆粒i司的碰抽 滑動器 測量摩擦的影 響 來模擬顆粒與顆粒 顆粒與壁面的對心碰撞和偏心碰撞 用彈性 阻尼 滑 移機理計算顆粒間的接觸力 顆粒間的相互作用由圖2 2 所不的力學 系統(tǒng)模擬 d a s 卜p a t 1 測法向力 2 測切向力 圖2 2模擬接觸力的力學系統(tǒng) t s u j i 等 人 f4 1用軟 球 方 法 模 擬了 水 平 管 道 中 的 節(jié) 涌 現(xiàn) 象 詳 細討 論 了 顆 粒 碰 撞la 1 按 觸力的計 算 以及接觸力計算公式中 三個參數(shù) 剛 性系數(shù) 摩擦系數(shù) 阻厄系數(shù) 的 計算表達式 并給出了恢復系數(shù)與阻 尼系數(shù)之間的關系 在此基礎 f t s u j i 等 人 5 1 用軟球方法處理顆粒間的 相互 作用 在二 維氣固 流化床上 模擬出了氣 泡和 節(jié) 涌現(xiàn)象 描述了在氣固流化床中 流體對顆粒的 作用力是 l 要的 而 顆粒剛i h 系數(shù)對顆粒的碰撞影響是次要的 發(fā)現(xiàn)顆粒剛性系數(shù)比實際值偏小時 計算 卜 實 際相比 沒有出 現(xiàn)太大的分歧 在目 前的數(shù)值 模擬中 顆粒剛性系 數(shù)是在 計算時間 允 許內(nèi) 井且 能 夠模 擬出 顆粒 實 際 運 動 而 假設 的 b h x u 等 人 f6 1用離 散 粒1 j 西北工業(yè)大學碩 t 學位論文 計算流體力學的藕合方法 d p m c f d 模擬了氣固流化床中的氣泡現(xiàn)象 兩 相 間 的d p m c f d禍 合 滿足 牛 頓 第 三 定 理 改 正 了t s u j i 等 人 i 1 h o o m a n s 等 人 7 對兩相藕合不符合牛頓第三定理的 缺點 尤其用預估一 校正方法建立了 個新的 顆 粒 碰 撞 模型 解 決 了t s u j i 等 人 i51對 顆 粒 的 剛 性系 數(shù) 假 設 較 實際 偏 小 的問 題 在氣固 流化床中 氣固兩相禍合的表達式 對模擬有重要影 響 k d k a f u i 等人 i s l 描述了 兩相禍合的表 達式不同時 流化床中動態(tài)行為有很大差異 并給出了 af 中 確 定 最 小 流 化 速 度的 方 法 徐 軍 偉 等 人 19 1在 噴 動流 化 床 中 模 擬了 氣l 兩 相 流 動 表明基于n e w t o n 定理和n a v i e r s t o k e s 方程的直接數(shù)值模擬方法對密相 大顆粒 的氣固兩相流動的問 題進行模擬時 具有建立的模型簡化條 件少 建立 的模1 7 史 接近實驗條件 模擬結(jié)果更準確的特點 以上 都是對等直徑顆粒的 軟球模擬 對不 等直徑顆粒的軟球模擬 袁竹林 研究了 流化床中 人為給定不同 粒徑 粒徑服從不連續(xù)的 f 態(tài)分布 分布范圍為 7 1 3 m m 相同密度以及相同粒徑 不同密度 密度服從不連續(xù)的正態(tài)分布 分 布 范 圍 為1 0 0 0 3 0 0 0 k g m 3 顆 粒的 分 離 特 性 2 3 2硬球方法 硬球方法中 顆粒的碰撞被處理為 瞬時的二元碰撞 如圖2 3 所示 圖2 3 a 是兩個顆粒碰撞前的 運動過程 圖2 3 b 是顆粒在碰撞后速度方向的變化 然后 顆粒會各自 走開 顆粒在碰撞過程中不發(fā)生變形 且兩個顆粒之間的碰 撞滿足動 量定理 碰撞后的顆粒速度可以由 碰撞前的 顆粒運動狀態(tài) 恢復系數(shù)及 摩擦系數(shù) 確定 由于硬球方法處理的是顆粒二體瞬時碰撞 當搜索最先碰撞的顆粒對時 需要的計算量與 顆粒數(shù)的平 方 一 成正比 雖 然近年來計算機硬件的發(fā)展非常 迅速 但對于密相多 顆粒系統(tǒng) 計算量還是 很驚人的 為了節(jié) 省計算時間 顆粒碰撞搜 索技術是一個關鍵因素 近年來有許多學者用硬球方法對氣固流化床的動態(tài)行為進行了研究 井取得 了 很大成就 h o o m a n s等人1 7 j 用硬球方法模擬了 t 固流化床中的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn) 象 這是首次把硬球方法用十氣固流化床 該文中以顆粒ft徑的五信作為顆粒碰 撞的搜索范圍 在一個小的二維床上用 2 4 0 0 個顆粒模擬了 鼓泡和節(jié)涌 現(xiàn)象 表 明 流 體 的 行 為 強 烈 地 依賴 于 恢 復 系 數(shù) o u y a n g 等 人 i川 提出 了 顆 粒網(wǎng) 格搜 索 技術 西北工業(yè)大學碩 t 學位論文 計算流體力學的藕合方法 d p m c f d 模擬了氣固流化床中的氣泡現(xiàn)象 兩 相 間 的d p m c f d禍 合 滿足 牛 頓 第 三 定 理 改 正 了t s u j i 等 人 i 1 h o o m a n s 等 人 7 對兩相藕合不符合牛頓第三定理的 缺點 尤其用預估一 校正方法建立了 個新的 顆 粒 碰 撞 模型 解 決 了t s u j i 等 人 i51對 顆 粒 的 剛 性系 數(shù) 假 設 較 實際 偏 小 的問 題 在氣固 流化床中 氣固兩相禍合的表達式 對模擬有重要影 響 k d k a f u i 等人 i s l 描述了 兩相禍合的表 達式不同時 流化床中動態(tài)行為有很大差異 并給出了 af 中 確 定 最 小 流 化 速 度的 方 法 徐 軍 偉 等 人 19 1在 噴 動流 化 床 中 模 擬了 氣l 兩 相 流 動 表明基于n e w t o n 定理和n a v i e r s t o k e s 方程的直接數(shù)值模擬方法對密相 大顆粒 的氣固兩相流動的問 題進行模擬時 具有建立的模型簡化條 件少 建立 的模1 7 史 接近實驗條件 模擬結(jié)果更準確的特點 以上 都是對等直徑顆粒的 軟球模擬 對不 等直徑顆粒的軟球模擬 袁竹林 研究了 流化床中 人為給定不同 粒徑 粒徑服從不連續(xù)的 f 態(tài)分布 分布范圍為 7 1 3 m m 相同密度以及相同粒徑 不同密度 密度服從不連續(xù)的正態(tài)分布 分 布 范 圍 為1 0 0 0 3 0 0 0 k g m 3 顆 粒的 分 離 特 性 2 3 2硬球方法 硬球方法中 顆粒的碰撞被處理為 瞬時的二元碰撞 如圖2 3 所示 圖2 3 a 是兩個顆粒碰撞前的 運動過程 圖2 3 b 是顆粒在碰撞后速度方向的變化 然后 顆粒會各自 走開 顆粒在碰撞過程中不發(fā)生變形 且兩個顆粒之間的碰 撞滿足動 量定理 碰撞后的顆粒速度可以由 碰撞前的 顆粒運動狀態(tài) 恢復系數(shù)及 摩擦系數(shù) 確定 由于硬球方法處理的是顆粒二體瞬時碰撞 當搜索最先碰撞的顆粒對時 需要的計算量與 顆粒數(shù)的平 方 一 成正比 雖 然近年來計算機硬件的發(fā)展非常 迅速 但對于密相多 顆粒系統(tǒng) 計算量還是 很驚人的 為了節(jié) 省計算時間 顆粒碰撞搜 索技術是一個關鍵因素 近年來有許多學者用硬球方法對氣固流化床的動態(tài)行為進行了研究 井取得 了 很大成就 h o o m a n s等人1 7 j 用硬球方法模擬了 t 固流化床中的鼓泡和節(jié)涌現(xiàn) 象 這是首次把硬球方法用十氣固流化床 該文中以顆粒ft徑的五信作為顆粒碰 撞的搜索范圍 在一個小的二維床上用 2 4 0 0 個顆粒模擬了 鼓泡和節(jié)涌 現(xiàn)象 表 明 流 體 的 行 為 強 烈 地 依賴 于 恢 復 系 數(shù) o u y a n g 等 人 i川 提出 了 顆 粒網(wǎng) 格搜 索 技術 西北工業(yè)人學碩 上 學位論文 a r s a b 圖2 3硬球方 法中顆粒的泣體瞬時碰撞 把氣固兩相流中顆粒的運動分解為在流體作用下的懸浮過程和在其它顆粒作fl 下的碰撞過程 并把二維情況下的空隙率轉(zhuǎn)化為三維情況下的空隙率 真實地模 擬了鼓泡和節(jié)涌的形成 且該模型比以 前的 離散模型 適用范圍更大 在此慕礎 卜 o u y a n g 等 人 1 21 的 研 究 表明 分 布 板結(jié) 構 恢 復 系 數(shù) 表 觀 氣 速 固 體 流 率 都 會 形 響氣固兩相流動 h e l l a n d等人 t 3 1 用硬球方法研究了 在氣固 循環(huán)流化床上團聚物 的形成 描述了空隙率函數(shù)不同時 局部流體結(jié)構的差別很大 以及碰撞參數(shù) 如 彈性恢復系數(shù)和摩擦系數(shù) 對團聚物的形狀和形成有重要影響 并發(fā)現(xiàn)山于曳力 函數(shù)的非 線性性導致了 流體 運動的不穩(wěn)定 h e l l a n d 等人 1 4 1 用新的顆粒 碰捧搜索 技術即流體控制體容積一一顆粒控制體容積 f l u i d c o n t r o l v o l u m e p a rt i c l e c o n t r o l v o l u m e 方法進行顆粒間的碰撞搜索 優(yōu)化了 顆粒碰撞搜索技術 減少 了計算時間 用四向禍合的方法禍合了流化床的幾 維氣固流動 研究了淺流化床 中的震蕩運動以 及在快速流化 床中團聚物的特征 并 討論了 顆粒間的碰撞 特性對 團聚 物結(jié)構和稀相流中氣固運動震蕩的影響 孫其誠 等人 nil用硬球方 法模擬了 風 沙運動 以上 都是對等直徑顆粒的硬球模 擬 近年來對不等直徑 顆粒的硬球模擬1 1 6 2 8 如下 在實驗研究方面 wu 等人 1 6 1 用實 驗方 法在一 個良 徑為 3 0 c m有孔分布板的 流化床上進行了密度相同 但直徑不同的顆?；旌虾头蛛x研究 該文中 給出了h 徑 處于不同范圍的多種顆粒群 并把直徑較大的顆粒群和直徑較小的顆粒群進行組 合 用實驗方法得出了顆粒的混合和分離規(guī) 律 m a t h i e s e n 等人 1 用實驗方法在 西北工業(yè)大學碩 卜 學位論文 氣固流化系統(tǒng)中研究了二組分 一種顆粒直徑屬于一個組分 兩種顆粒的f 徑范 圍分別是 1 0 0 1 3 0 u m 1 7 5 2 0 5 u m 顆粒的軸向和徑向 分離 情況 描述了 顆 粒 在氣固兩相流中的分布規(guī)律 在多組分顆 粒的研究中 y t 合物完全流化的最小 流 化速度的 確定對顆粒分離 效果很重要 黃健榕 1 8 研究了寬篩分粒子在流化床中 的 混合 得到了求二元混合物完全流化的最小流化速度的方法 對于混合物的分離 張濟 宇 等 人 19 給出 了 判別 不 等 密 度顆 粒 體 系 混 和 分 離 狀 態(tài)的 判 斷 法則 及確 定 混 合 物空隙 率簡易可行的隨意松散堆積方法 楊海瑞等人 2 0 研究了c f b鍋爐內(nèi) 炸 密度顆粒的分 層模型 通過實驗數(shù)據(jù)得出了 顆粒分 層參數(shù)的經(jīng)驗式 流 化床中 顆 粒 平 均直 徑 相 等 但 粒 徑分 布可 能 不 同 劉 會 娥 等 人 2 1 1研究了 粒 徑分 布 小 同 對 顆 ?；旌托袨榈挠绊?在數(shù)值模擬方面 周浩生等 人 2 2 建 立了寬篩分氣固流化床的離散顆粒模型 對寬 篩分流化床中氣泡的形成 顆粒的 流化過程進行了數(shù)值模擬 模擬結(jié)果發(fā) 現(xiàn) 單顆粒的運動表現(xiàn)出不可預測性 顆粒的總體速度不完全滿足正態(tài)分布 袁竹林 與馬明 2 3 對 循環(huán)流化床中 不同密 度顆粒的分離 進行了 研究 模擬 了 兩 種小同 密度 的顆粒 在循環(huán)流化床內(nèi)的 分布 得到了氣體 速度不同時 焦炭和煤粉 粒徑歸分 為1 6 種 在循環(huán)流化床內(nèi)的 分離規(guī)律 h o o m a n s 等人 2 4 1 研究了 等密度兩種不同 粒徑 顆粒群的分離情況 發(fā) 現(xiàn)理想狀況下 e 1 戶0 顆 粒的分離比非理想狀態(tài) 下 w 粒的 分 離 用 時 短 分 離 效 果 好 y q f e n g 等 人 125 1研 究了 氣固 流 化 床中 顆 粒 的雙向混合及分離 發(fā)現(xiàn)顆粒的混合和分離極大地依賴于表觀氣速的人小 并 11 顆粒最后的平衡狀態(tài)和顆粒初始的 填塞 狀態(tài)無關 d i n e s h g e r a等人 j s u n u n l i m t r a k u l 等人 2 7 1 的 研究也表明了 表觀氣速對顆粒的分離有重要影n 1h 同時s u n u n l i m t r a k u l 等人1 2 7 1發(fā)現(xiàn)了 二組分 顆粒的直徑差別越人 密度差 別越大 分離效果 越 好 l u h u ilin 等 人 2 8 1用實 驗方 法 和 數(shù) 值 模 擬 方 法 研 究了 鼓 泡 流化 床 中 不 同 粒 徑顆粒雙向混和的行為 并討論了雙組分混合物最小流化速度的定義 2 3 3 d s mc方法 d s mc方法認為顆粒的碰撞具有隨機性 用有限個仿真顆粒代替真實顆粒 計 算仿真顆粒的運動 然后再通過統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)仿真顆粒的運動狀態(tài)實現(xiàn)對立實顆 粒運動的模擬 與軟球方法和硬球方法相比 該方法 i l一 以計ti r 的顆粒數(shù)較人擔 西北工業(yè)大學碩 卜 學位論文 氣固流化系統(tǒng)中研究了二組分 一種顆粒直徑屬于一個組分 兩種顆粒的f 徑范 圍分別是 1 0 0 1 3 0 u m 1 7 5 2 0 5 u m 顆粒的軸向和徑向 分離 情況 描述了 顆 粒 在氣固兩相流中的分布規(guī)律 在多組分顆 粒的研究中 y t 合物完全流化的最小 流 化速度的 確定對顆粒分離 效果很重要 黃健榕 1 8 研究了寬篩分粒子在流化床中 的 混合 得到了求二元混合物完全流化的最小流化速度的方法 對于混合物的分離 張濟 宇 等 人 19 給出 了 判別 不 等 密 度顆 粒 體 系 混 和 分 離 狀 態(tài)的 判 斷 法則 及確 定 混 合 物空隙 率簡易可行的隨意松散堆積方法 楊海瑞等人 2 0 研究了c f b鍋爐內(nèi) 炸 密度顆粒的分 層模型 通過實驗數(shù)據(jù)得出了 顆粒分 層參數(shù)的經(jīng)驗式 流 化床中 顆 粒 平 均直 徑 相 等 但 粒 徑分 布可 能 不 同 劉 會 娥 等 人 2 1 1研究了 粒 徑分 布 小 同 對 顆 ?；旌托袨榈挠绊?在數(shù)值模擬方面 周浩生等 人 2 2 建 立了寬篩分氣固流化床的離散顆粒模型 對寬 篩分流化床中氣泡的形成 顆粒的 流化過程進行了數(shù)值模擬 模擬結(jié)果發(fā) 現(xiàn) 單顆粒的運動表現(xiàn)出不可預測性 顆粒的總體速度不完全滿足正態(tài)分布 袁竹林 與馬明 2 3 對 循環(huán)流化床中 不同密 度顆粒的分離 進行了 研究 模擬 了 兩 種小同 密度 的顆粒 在循環(huán)流化床內(nèi)的 分布 得到了氣體 速度不同時 焦炭和煤粉 粒徑歸分 為1 6 種 在循環(huán)流化床內(nèi)的 分離規(guī)律 h o o m a n s 等人 2 4 1 研究了 等密度兩種不同 粒徑 顆粒群的分離情況 發(fā) 現(xiàn)理想狀況下 e 1 戶0 顆 粒的分離比非理想狀態(tài) 下 w 粒的 分 離 用 時 短 分 離 效 果 好 y q f e n g 等 人 125 1研 究了 氣固 流 化 床中 顆 粒 的雙向混合及分離 發(fā)現(xiàn)顆粒的混合和分離極大地依賴于表觀氣速的人小 并 11 顆粒最后的平衡狀態(tài)和顆粒初始的 填塞 狀態(tài)無關 d i n e s h g e r a等人 j s u n u n l i m t r a k u l 等人 2 7 1 的 研究也表明了 表觀氣速對顆粒的分離有重要影n 1h 同時s u n u n l i m t r a k u l 等人1 2 7 1發(fā)現(xiàn)了 二組分 顆粒的直徑差別越人 密度差 別越大 分離效果 越 好 l u h u ili