稠密氣固兩相流動(dòng)的顆粒相二階矩模型及數(shù)值模擬研究.pdf

1、氣固兩相流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于化工、電力、冶金、食品、制藥等領(lǐng)域中，深入認(rèn)識(shí)和掌握氣固兩相流動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律有著重要的實(shí)際意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬已成為氣固兩相流動(dòng)研究的主要方法之一。但是由于氣固系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，氣固兩相流動(dòng)模擬的理論模型仍然有許多值得改進(jìn)和提高之處。
　　目前常用的顆粒動(dòng)理學(xué)模型中，僅引入了顆粒溫度來描述顆粒速度脈動(dòng)的強(qiáng)弱，忽略了顆粒速度脈動(dòng)的各向異性；然而現(xiàn)有的研究表明顆粒速度脈動(dòng)呈現(xiàn)

2、出較強(qiáng)的各向異性，因此，有必要發(fā)展顆粒相二階矩模型并應(yīng)用于氣固兩相流動(dòng)模擬。
　　基于顆粒動(dòng)理學(xué)基本原理，本文推導(dǎo)了表征顆粒速度脈動(dòng)各向異性的二階矩輸運(yùn)方程，對其中顆粒相本構(gòu)模型采用動(dòng)理學(xué)方法封閉，對顆粒脈動(dòng)速度三階矩分別采用初等輸運(yùn)理論和線性理論進(jìn)行封閉，建立了適用于稠密氣固兩相流動(dòng)模擬的顆粒相二階矩模型。采用顆粒-壁面碰撞的法向和切向彈性恢復(fù)系數(shù)，應(yīng)用動(dòng)理學(xué)方法，推導(dǎo)了顆粒相速度和顆粒脈動(dòng)速度二階矩的壁面邊界條件。
　　

3、應(yīng)用顆粒相二階矩模型模擬了鼓泡床內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)特性。對“布風(fēng)板”鼓泡床的模擬得到了床內(nèi)氣泡的尾渦型和臨近型聚并以及氣泡的尾渦截?cái)嘈秃土鲌隼煨头至选ＤM得到的顆粒相速度、顆粒溫度和顆粒脈動(dòng)速度關(guān)聯(lián)矩Mxy與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。通過降低顆粒間碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)可以改變布風(fēng)板鼓泡床內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)特征，從而使顆粒速度脈動(dòng)的各向異性增強(qiáng)。對中心射流鼓泡床，通過采用顆粒動(dòng)理學(xué)模型和顆粒相二階矩模型模擬對比，發(fā)現(xiàn)兩者模擬得到的宏觀流動(dòng)行為基本相似，但是射

4、流氣泡的大小、顆粒速度脈動(dòng)的強(qiáng)弱以及速度脈動(dòng)的各向異性特征具有明顯差異，采用顆粒相二階矩模型能夠更好地反映中心射流鼓泡床內(nèi)顆粒脈動(dòng)的各向異性行為。
　　應(yīng)用顆粒相二階矩模型模擬了提升管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性。通過二維提升管內(nèi)的全流場流動(dòng)模擬，得到時(shí)均顆粒濃度和質(zhì)量流率的徑向分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，時(shí)均的軸向氣體壓降也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。對一維提升管內(nèi)“環(huán)-核”型流動(dòng)的模擬顯示，采用不同三階矩封閉模型的顆粒相二階矩模型都能夠得到顆粒速度脈

5、動(dòng)的各向異性特征。通過對一維提升管的模擬比較，研究了三階矩封閉模型中的模型參數(shù)以及氣固相間曳力、壁面參數(shù)和顆粒物性參數(shù)對氣固兩相流動(dòng)的影響。氣固相間作用的耗散項(xiàng)以及顆粒物性參數(shù)對氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)和顆粒速度脈動(dòng)各向異性的影響較大，考慮相間作用的耗散項(xiàng)、減小顆粒直徑或降低顆粒-顆粒碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)都會(huì)加強(qiáng)顆粒速度脈動(dòng)的各向異性；顆粒-壁面碰撞的法向彈性恢復(fù)系數(shù)對流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響較小，而切向彈性恢復(fù)系數(shù)的影響則較大。
　　考慮了顆粒速度脈動(dòng)對氣