旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)與分布的特性研究.pdf

1、InvestigationontheParticleMotionandDistributionCharacteristicsinRotationalFlowFieldADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringByCHENYrunfuSupervisedbyProfessorCHENYongpingSchoolof

2、Energy&EnvironmentalSoutheastUniversityAugust2016摘要摘要液(氣)固兩相流廣泛存在于電力、化工、制藥、食品等傳統(tǒng)領(lǐng)域及生物、材料等新興工業(yè)領(lǐng)域旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)是液(氣)固兩相流研究中的重要課題。在實(shí)際過程中，由于流體與顆粒間及顆粒與顆粒問復(fù)雜的相互作用使得流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)與分布往往呈現(xiàn)出多態(tài)性和復(fù)雜性，其物理機(jī)制和內(nèi)在規(guī)律特性仍未被全面認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)與分布的特性進(jìn)行理論及

3、實(shí)驗(yàn)研究，不僅對(duì)于探索顆粒與液(氣)體間及顆粒與顆粒的相互作用機(jī)制具有重要的科學(xué)意義，并且對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)際中顆粒流的優(yōu)化與設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。流場(chǎng)中顆粒流動(dòng)的量化實(shí)驗(yàn)研究成本較高、難度較大，因此數(shù)值模擬逐漸成為了研究流場(chǎng)中顆粒流動(dòng)的重要手段。目前，射流撞擊激勵(lì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒碰撞、運(yùn)動(dòng)及分布尚不清晰。此外，對(duì)于氣液兩相共存旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)及扭曲管內(nèi)自激勵(lì)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒行為機(jī)理與規(guī)律的研究還缺乏深入、充分的研究。為此，本文引入直接模擬蒙特

4、卡洛(DSMC)方法描述射流撞擊激勵(lì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中稠密顆粒間碰撞行為，建立了考慮顆粒旋轉(zhuǎn)的射流撞擊激勵(lì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中稠密顆粒的流動(dòng)理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)射流撞擊激勵(lì)下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)及其碰撞行為進(jìn)行了可視化觀測(cè)：基于VOF(VolumeofFluid)和DEM(DiscreteElementMethod)方法建立了部分充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒流動(dòng)的VOFDEM理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)、流動(dòng)模

5、式及分布特性進(jìn)行了可視化研究；同時(shí)，采用CFD—DEM方法對(duì)方形截面扭曲管流內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)及分布特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。概括起來。本論文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：1利用DSMC方法研究了射流撞擊激勵(lì)作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒行為特性，分析了氣體射流速度和顆粒旋轉(zhuǎn)對(duì)射流撞擊激勵(lì)作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)與分布特性的影響。此外，對(duì)射流撞擊激勵(lì)作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。結(jié)果表明：射流撞擊激勵(lì)作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒存

6、在碰撞、滲透及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；碰撞使顆粒直接離開碰撞區(qū)域或在碰撞區(qū)域來回運(yùn)動(dòng)；入口氣體速度增加能夠強(qiáng)化顆粒從碰撞區(qū)域分散到其他區(qū)域；顆粒旋轉(zhuǎn)驅(qū)使顆粒更快地離開碰撞區(qū)域，導(dǎo)致在碰撞區(qū)域中心顆粒濃度的最大值有所減少。2開展了充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)與分布特性的可視化實(shí)驗(yàn)，研究了圓筒轉(zhuǎn)速、液體高度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)與分布特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：部分充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒出現(xiàn)滑移運(yùn)動(dòng)、塌落運(yùn)動(dòng)和拋落運(yùn)動(dòng)，滿液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒還出現(xiàn)了離心運(yùn)動(dòng)：在圓

7、筒內(nèi)液相流場(chǎng)中存在一個(gè)明顯的漩渦結(jié)構(gòu)；圓筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)幾乎沒有顆粒運(yùn)動(dòng)到液體旋入側(cè)，而轉(zhuǎn)速增加到一定值時(shí)顆粒會(huì)運(yùn)動(dòng)到液體旋入側(cè)，并隨轉(zhuǎn)速增加其數(shù)量有所增加；在充液高度低時(shí)，顆粒主要分布液體的旋出側(cè)區(qū)域；在充液高度較高時(shí)，顆粒在圓筒內(nèi)液體的旋出側(cè)運(yùn)動(dòng)，顆粒的分布趨于分散，而隨著充液高度進(jìn)一步增加，顆粒的分布范圍擴(kuò)大到圓筒內(nèi)液體的旋入側(cè)，顆粒的分稚呈現(xiàn)環(huán)形分布。3利用VOFDEM方法研究了部分充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒群運(yùn)動(dòng)與分布特性，分析了顆