基于離散單元法氣力輸送的數(shù)值模擬研究.pdf

1、采用氣力輸送將散料從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方是化工、冶金、農(nóng)業(yè)加工過程中最為常用的方法。這種散料輸送方法對(duì)環(huán)境污染小、操作靈活、能夠全部自動(dòng)化。但是，它同時(shí)也可能存在如下諸多問題，即能量消耗大、輸送設(shè)備磨損、輸送管道堵塞、輸送顆粒質(zhì)量降級(jí)。因此，掌握氣力輸送過程中各種物理過程有助于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
　　 本文開發(fā)了一個(gè)基于散單元法(DEM)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的三維數(shù)學(xué)模型。該模型能夠用來模擬直管和彎管中散料的氣力輸送過

2、程。CFD-DEM模型將顆粒相看作離散介質(zhì)，每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)用牛頓第二定律通過DEM求解；而將流體看作連續(xù)介質(zhì)，其流動(dòng)采用局部平均的Navier-Stokes方程進(jìn)行描述，并采用傳統(tǒng)的CFD求解。它能再現(xiàn)氣力輸送中大量物理過程，并給出詳細(xì)的顆粒尺度的信息（如顆粒軌跡、速度、作用力）。這些信息有助于了解氣力輸送的機(jī)理。本文的CFD是基于非交錯(cuò)適體網(wǎng)格的控制容積法，為了提高計(jì)算效率和穩(wěn)定性，在所開發(fā)的CFD-DEM模型中實(shí)施了一些新的計(jì)算方法

3、，這包括，⑴將顆粒和網(wǎng)格位置聯(lián)系在一起的顆粒搜索方法；⑵氣體物理量的最小二乘插值方法；⑶流動(dòng)方向顆粒氣體周期邊界條件；⑷用于計(jì)算空隙度和顆粒一流體體積力的球形單元概念。數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，所開發(fā)的CFD程序能定量的預(yù)測(cè)頂蓋驅(qū)動(dòng)、中間包以及鋼包內(nèi)流體流動(dòng)；所開發(fā)的CFD-DEM程序能定量地預(yù)測(cè)水平料栓流的料栓速度、沉降高度、顆粒速度，以及垂直稀相輸送中的氣體壓降與平均空隙度。
　　 采用開發(fā)的CFD-DEM研究了水平穩(wěn)態(tài)料

4、栓流、水平料栓的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)以及垂直氣力輸送中散料流動(dòng)模式，并針對(duì)每個(gè)算例進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析。數(shù)值結(jié)果表明，所開發(fā)的模型能捕捉氣力輸送中如下重要流動(dòng)特征，①水平穩(wěn)態(tài)料栓中料栓與沉降層中顆粒交換、氣體壓力特征、顆粒速度-料栓速度-氣體速度三者之間的關(guān)系、固體氣體流率對(duì)料栓速度和長(zhǎng)度的影響；②水平料栓的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，包括料栓的啟動(dòng)、形成、坍塌、合并、以及水平料栓流周期特征；③垂直氣力輸送中散料流動(dòng)模式以及流動(dòng)轉(zhuǎn)換，這些數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致

5、的。
　　 力學(xué)分析得到了如下結(jié)論，⑴從宏觀尺度上看，水平料栓的運(yùn)動(dòng)是由軸向顆粒-壁面和顆粒-流體作用力所支配，從微觀尺度上看，顆粒-顆粒作用力讓料栓鏟起其前面沉降層的顆粒，而且上述這些作用力隨顆粒流量和氣體速度的增加而增加；⑵當(dāng)水平料栓從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過程中，料栓內(nèi)法向接觸力的結(jié)構(gòu)在管道軸向依次會(huì)出現(xiàn)均勻、非均勻、以及均勻三種分布；⑶垂直氣力輸送中，氣體速度與壓強(qiáng)關(guān)系的機(jī)理可用顆粒-流體力和氣體-壁面摩擦力進(jìn)行