软球模型在颗粒流全尺度模拟中的验证和分析

针对颗粒流全尺度模拟时的干碰撞问题,在内嵌边界多重直接力全尺度算法中加入软球碰撞模型.通过空气中小球碰撞壁面和小球在粗糙表面上滚动2个典型算例,验证了软球模型在全尺度模拟中对干碰撞作用求解的适用性和准确性.对软球模型各主要参数的敏感度分析表明:时间步长越小,碰撞计算越精确;弹簧刚度系数越小,软球模型的接触特征时间越长,全尺度计算受到的资源限制越小;网格尺度、速度恢复系数对软球模型在全尺度模拟中的求解精度影响不大.实验室尺度气固鼓泡床的全尺度模拟结果表明,该方法可用于计算复杂的稠密流动体系.     

弹簧质量系统碰撞的分析与数值模拟

按照经典碰撞理论, 利用恢复系数e 推导了两小球弹簧质量系统碰撞的位移速度公式, 得到 该质量弹簧系统碰撞问题的解析解.基于Newmark 法, 根据动接触碰撞理论得到的处理二维碰撞 的数值积分表达式可对碰撞问题进行数值求解.将得到的解析解与数值解计算结果进行比较, 验证 了数值方法的正确性, 给出了处理小球弹簧质量系统碰撞时e 的取值, 并将该数值方法推广至分析 多个小球的弹簧质量系统的碰撞研究中.     

混凝动力学方程的蒙特卡罗模拟

建立了蒙特卡罗方法求解Smoluchowski方程,该方法通过产生随机数序列,从概率密度函数出发进行随机抽样,模拟颗粒的凝聚过程,同时记录特征量的模拟结果以得到问题的解.蒙特卡罗计算方法则是利用计算机模拟离子碰撞情形,克服了有限差分法在体积分数较小时的上述弊端,并节省了大量运算过程和繁冗的中间假设.研究结果表明在凝聚过程中,无论是布朗运动还是剪切力作用,颗粒的形态对其尺寸分布均有较大的影响,分形维数越低,絮体尺寸分布越集中,小颗粒尺寸数目较多.剪切力场下凝聚过程中的颗粒分布受其影响尤为显著.研究结果同时表明,布朗运动下颗粒尺寸分布受时间影响甚微,颗粒尺寸分布变化不显著,而剪切力场下颗粒的粒径分布受时间影响甚大,随絮凝时间的延长,大颗粒尺寸所占的比例逐渐增加.     

高速旋转小球入水空泡特性数值模拟

为了深入研究旋转体入水空泡特性,采用VOF均值多相流模型、k-ω湍流模型以及动网格技术,开展了低弗劳德数条件下高速旋转小球入水过程空泡特性的数值模拟研究.分析已公开发表的关于运动体入水数值仿真的相关论文,总结了入水数值模拟的最优参数选择,建立了适用于高速旋转小球入水数值模拟方法.开展不同入水速度和比重的小球入水过程的数值模拟,对比分析了入水空泡的形成、发展、闭合和溃灭的演化过程.数值计算结果表明:高速旋转小球在入水深度0.25d范围内出现逆升力偏移现象,逆升力偏移距离随小球速度和比重的增加而减小;逆升力的大小与入水速度成反比,而与比重无关.相同比重的小球,不同入水速度的轨迹相似;速度相同的小球,比重越大的轨迹曲率较小.高速旋转小球入水空泡依次发生纵向闭合和横向闭合的二次闭合的现象,且入水速度越大,纵向闭合越明显.空泡闭合深度、空泡最大直径以及尾空泡直径均随着速度和比重的增加而增大,且速度变化产生的影响更加明显.     

关于离散元法计算参数的探讨

计算时步、接触刚度等计算参数的选取对离散元法解的正确与否至关重要,目前普遍采用的方法是先确定接触刚度并选取保险系数后,按照经验公式求得计算时步,但在保险系数的设定上有关文献却不尽相同.作者提出了一种新的方法———恢复系数检验法来选定计算参数.采用离散元法最常用的弹性-阻尼-滑动接触模型编制了计算程序,以颗粒同静置平面之间的正碰撞考察了不同计算参数下的模拟结果,除模拟得到恢复系数外,还考察了碰撞过程的总接触时间和总接触时步数.统计分析结果表明:计算时步是影响模拟精度最重要的因素;模拟误差还同恢复系数的设定值有关,设定值越大,模拟误差就越小;计算时步的大小虽然对碰撞过程的总接触时间影响不大,但是却决定了碰撞过程的总接触时步数,二者之间存在对数线性相关关系.     

生物质流化床流化特性试验研究与数值模拟

为了研究生物质气化过程中流化床物料的流化状态,搭建了生物质流化床试验系统。以空气为流化介质,对石英砂进行流化试验,并在考虑物料颗粒间碰撞的基础上,基于DEM(discrete element method)模型对流化床床层区域空间内颗粒流动特性进行数值模拟。结果表明:当床层物料堆积密度、温度一定时,对应颗粒直径分别为0.56,0.35,0.18 mm的石英砂临界流化风速分别为0.017,0.065,0.170 m/s,物料粒径越小,达到流化状态所需要的流化风速也越小;数值模拟结果与试验结果相比,平均误差为23.1%,临界风速的预测与试验结果基本一致,这表明计算模型对于鼓泡状的两相流动状态有较好的预测效果。     

激波诱导模型球阵非稳态阻力的数值模拟研究

采用CFD软件,对激波诱导单排四球模型球阵绕流场进行三维数值模拟,在计算模型和方法准确性验证基础上,分析模型球非稳态阻力的形成机理,并揭示激波马赫数M_s和无量纲间距H对非稳态阻力和激波结构的影响。结果表明:模型球阻力系数C_d曲线存在一个尖锐的最大值波峰和一个波谷的结构,且最终趋于某一稳态正值;M_s越小,C_d峰值越大,谷值越小,C_d曲线波动幅度越大;激波反射、衍射、聚焦和干涉行为共同影响非稳态阻力系数;无量纲间距H越小,相邻球的激波干涉越显著,C_d峰值越大。     

摩擦电选中摩擦器内颗粒的碰撞特性

为了解摩擦电选过程中摩擦器内颗粒的碰撞特性,采用标准k-ε湍流模型及颗粒轨道模型,以10和74μm球形颗粒为研究对象,对两种不同结构摩擦器内的颗粒运动速度和轨迹进行数值模拟.运用红外热像技术对摩擦器可视化模型的温度场分布进行了实验研究,结果表明,摩擦器内温度呈对称分布特征,颗粒高效碰撞区位于温度较高的摩擦棒间隙内;粒径和摩擦棒分布对颗粒碰撞的影响很大,相同粒径的颗粒在正三角分布摩擦器内碰撞效果优于正方形分布,相同结构的摩擦器内大颗粒的碰撞效果优于小颗粒.     

颗粒团聚过程准确碰撞检测快速算法

碰撞检测的传统算法在应对大量颗粒碰撞团聚时往往执行效率低下,为此提出一种基于“包围球-最大检测区域”预处理的两步式准确碰撞检测快速算法. 粗略筛选阶段：所有团聚体用更新成本低的包围球替代表示,并将包围球间的碰撞检测转变为求解关于时间的一元二次方程问题,通过并行求解这些方程快速筛选出所有可能发生的碰撞;忽略最大检测区域外的碰撞检测以进一步缩短执行时间. 精细确定阶段：采用离散碰撞检测快速确定碰撞发生的具体时间和位置;在该阶段,采样时间间隔是自适应的且逐渐减小. 将模拟计算结果与未优化的传统算法结果进行对比后发现,在满足相同碰撞检测准确性的前提下,提出的算法将执行效率提升了10~30倍,表明此算法更加适用于大量颗粒团聚过程中的碰撞检测.     

圆柱扰流对燃煤细颗粒物团聚影响的数值模拟

燃煤锅炉产生的细颗粒物已经成为大气污染的主要来源,由于烟气中的颗粒物粒径较小,传统除尘器难以对其进行有效脱除.利用湍流团聚对含尘烟气进行预处理是一种促进细颗粒长大,进而有效脱除细颗粒物的新方法.采用k-ε湍流模型耦合颗粒群平衡模型(PBM)对扰流圆柱后方细颗粒物的聚并效果进行了研究.着重讨论了速度、颗粒的体积分数、入口颗粒的斯托克斯数(St)数对颗粒团聚效果的影响.模拟结果表明,速度越大,湍动能耗散率也越大,颗粒的团聚效果较好;增加入口颗粒的体积分数,提高了颗粒碰撞的几率,对颗粒物的聚集有促进作用;入口颗粒的St数越小,颗粒的初始粒径越小,小颗粒较好的跟随性会跟随流体的流动被漩涡所卷吸,颗粒聚并效果越显著.     

循环流化床提升管内稠密固液湍流的流体动力学模拟

为揭示循环流化床内稠密固液两相流动特性,对反应器内稠密固液湍流进行了流体动力学模拟.在考虑颗粒碰撞的欧拉-欧拉双流体模型的基础上,通过研究相间拖拽力模型和颗粒碰撞恢复系数的影响,建立了描述循环流化床内稠密固液湍流的流体动力学模型,并利用模型预测了反应器提升管中高浓度颗粒速度、体积分数分布和湍流特性.预测结果与实验结果符合很好,表明理论模型和求解方法有效.     

绕流中颗粒与柱体碰撞和磨损的直接数值模拟

为了研究圆柱近壁区颗粒与柱体的碰撞和磨损问题，采用高精度有限差分的方法对圆柱绕流进行了直接数值模拟.在获得高精度计算流场信息的基础上，采用Lagrangian方法追踪了颗粒在圆柱近壁区的运动.利用非弹性碰撞模型的壁面磨损量经验公式，进行了壁面磨损量的计算，详尽考察了不同粒径的颗粒与壁面的碰撞磨损情况.研究发现，随着颗粒粒径的增大，颗粒与壁面的碰撞频率变高；局部碰撞频率的曲线较为特殊，粒径较大颗粒的碰撞多发生在与来流方向平行的中心轴线处，而小粒径颗粒的碰撞则要外移一定的位置.还发现颗粒对壁面的磨损率也是随粒径的增大而增大.颗粒的冲击角对壁面的磨损同样起着至关重要的影响，对于塑性材料，冲击角为20°～30°时，壁面的磨损率最大.     

关于离散元法计算参数的探讨

计算时步、接触刚度等计算参数的选取对离散元法解的正确与否至关重要,目前普遍采用的方法是先确定接触刚度并选取保险系数后,按照经验公式求得计算时步,但在保险系数的设定上有关文献却不尽相同．作者提出了一种新的方法——恢复系数检验法来选定计算参数．采用离散元法最常用的弹性-阻尼-滑动接触模型编制了计算程序,以颗粒同静置平面之间的正碰撞考察了不同计算参数下的模拟结果,除模拟得到恢复系数外,还考察了碰撞过程的总接触时间和总接触时步数．统计分析结果表明：计算时步是影响模拟精度最重要的因素;模拟误差还同恢复系数的设定值有关,设定值越大,模拟误差就越小;计算时步的大小虽然对碰撞过程的总接触时间影响不大,但是却决定了碰撞过程的总接触时步数,二者之间存在对数线性相关关系,     

小型流化床干燥器气固流动和干燥的CPFD数值模拟

为掌握炼焦煤工业流化床的颗粒干燥和分级过程,基于计算颗粒流体力学(CPFD)理论方法,以0.3mm为分级粒径对实验室规模的炼焦煤流化床干燥分级过程进行模拟研究.颗粒干燥模型由颗粒汽液平衡推导得出.曳力模型采用不考虑颗粒球形度的Wen-Yu/Ergun模型和考虑颗粒球形度的Ganser模型结合.研究结果发现:两种曳力模型结合得到的模型可更准确地预判流化床中不同粒径段颗粒的分布位置;此外,颗粒干燥模型结果与实验结果吻合,流化风风速越大或风温越高,颗粒干燥时间越短.同时在气固流动方面揭示了流化床干燥器中颗粒的流动特性:粗颗粒集中在流化床底部,而细颗粒分布在流化床上部;颗粒直径越大,颗粒速度越小.研究验证了CPFD手段预测流化床干燥器中气固流动和干燥过程的潜力和可行性,为后续的工业化放大和结构优化打下了基础.     

考虑颗粒对高炉风口回旋区湍流影响的气固两相模型

基于颗粒相欧拉模型,建立了考虑大颗粒对湍流增强作用的颗粒碰撞模型.该模型充分考虑颗粒尾迹对湍流的作用,并把作用结果以源项的形式加入原有模型;在对离散相进行模拟时,还考虑颗粒之间的碰撞作用.最后用该模型对高炉回旋区内的气固两相流动进行了模拟,模拟所得的颗粒平均速度和脉动速度分量与实验结果吻合良好.结果表明,考虑颗粒对湍流增强作用及颗粒之间作用后的新模型预报结果得到了明显改进.     

涡结构对小颗粒在圆管背风面碰撞分布的影响

针对锅炉管背风面飞灰沉积过程，采用数值模拟的方法进行了研究.对绕柱气相湍流的模拟采用了较新的分离涡模拟方法（detached eddy simulation, DES），通过对粒径为1～10 μm的颗粒在圆管背风面碰撞分布规律的计算发现背风面近壁区存在的主涡、二次涡和分离点附近小涡对颗粒在背风面的碰撞均有一定的影响.当速度较小时，随着粒径的增大，颗粒在背风面碰撞的质量逐渐增加，大颗粒在主涡和二次涡作用下均有较大的碰撞质量流量，而且二次涡的作用明显强于主涡；速度增加后，由背风面3种涡结构引起的颗粒碰撞量均有不同程度的减少，此时主涡的作用较强，而且二次涡引起的大颗粒碰撞量有明显减少.通过与实验测试结果进行对比检验，证明了数值模拟结果的准确性.     

金属橡胶减振器滞迟特性研究

从摩擦耗能机理出发,利用悬臂梁杆系接触作用模型,推导出金属橡胶减振器循环加载、卸载时载荷和位移的解析表达式,得出理论计算滞迟回线;运用ANSYS有限元分析软件对相对密度不同的环形金属橡胶减振器的变形过程进行数值模拟,得出数值模拟滞迟回线。研究表明,理论计算与数值模拟得到的滞迟回线基本一致,成型相对密度越小耗能特性越大,其刚度越小,软特性阶段越宽。     

恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟

针对油田注水工况下,恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟.以商业CFD软件F luent 6.1为基础,建立了恒流堵塞器流场三维几何模型,对堵塞器内部流场进行了计算;采用La-grangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道;应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算;对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比,证明了数值模拟的有效性;对模拟结果数值上不够精确的原因进行了分析,指出了在注水流量控制装置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性.     

有限元分析方法在保险杠碰撞仿真中的应用

根据汽车与正面刚性墙的碰撞特性,应用有限元方法和碰撞模拟技术,采用Hypermesh软件建立汽车保险杠与刚性墙的正面碰撞仿真模型,并用ANSYS/LS-DYNA求解器求解该模型,研究其在碰撞过程中的动态响应,分析保险杠的耐撞性;同时对保险杠的厚度进行优化分析,通过对保险杠碰撞时的变形、吸能状况和仿真计算结果来预测保险杠的耐撞性。     

等离子体鞘层内离子运动的蒙特卡罗模拟研究

本文利用蒙特卡罗方法模拟氩气直流辉光放电鞘层内离子的运动过程。模拟基于离子与中性原子的电荷转移和弹性散射两种主要的散射过程,考虑了碰撞截面与能量相关的情况。在弹性散射中采用了刚性球碰撞的模型。通过刚性球碰撞模型的模拟得到在不同入射初能量和不同的气体密度下离子入射阴极的能量分布和角度分布,并对刚性球碰撞模型的模拟结果进行了分析和讨论。