旋轉(zhuǎn)流場中顆粒運動與分布的特性研究.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)流場中顆粒運動是液(氣)固兩相流研究中的重要課題。在實際過程中，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中顆粒運動與分布往往呈現(xiàn)出多態(tài)性和復(fù)雜性，其物理機制和內(nèi)在規(guī)律特性仍未被全面認識。因此，對旋轉(zhuǎn)流場中顆粒運動與分布的特性進行理論及

3、實驗研究，不僅對于探索顆粒與液(氣)體間及顆粒與顆粒的相互作用機制具有重要的科學(xué)意義，并且對指導(dǎo)工程實際中顆粒流的優(yōu)化與設(shè)計具有重要的工程應(yīng)用價值。流場中顆粒流動的量化實驗研究成本較高、難度較大，因此數(shù)值模擬逐漸成為了研究流場中顆粒流動的重要手段。目前，射流撞擊激勵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場中顆粒碰撞、運動及分布尚不清晰。此外，對于氣液兩相共存旋轉(zhuǎn)流場及扭曲管內(nèi)自激勵旋轉(zhuǎn)流場中顆粒行為機理與規(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產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場中稠密顆粒間碰撞行為，建立了考慮顆粒旋轉(zhuǎn)的射流撞擊激勵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場中稠密顆粒的流動理論模型并進行了數(shù)值模擬，并對射流撞擊激勵下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒運動及其碰撞行為進行了可視化觀測：基于VOF(VolumeofFluid)和DEM(DiscreteElementMethod)方法建立了部分充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒流動的VOFDEM理論模型并進行了數(shù)值模擬，利用實驗手段對流場中顆粒運動、流動模

5、式及分布特性進行了可視化研究；同時，采用CFD—DEM方法對方形截面扭曲管流內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒運動及分布特性進行了數(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作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒行為特性，分析了氣體射流速度和顆粒旋轉(zhuǎn)對射流撞擊激勵作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒運動與分布特性的影響。此外，對射流撞擊激勵作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒行為進行了實驗觀察。結(jié)果表明：射流撞擊激勵作用下圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒存

6、在碰撞、滲透及旋轉(zhuǎn)運動；碰撞使顆粒直接離開碰撞區(qū)域或在碰撞區(qū)域來回運動；入口氣體速度增加能夠強化顆粒從碰撞區(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)流場中顆粒運動與分布特性的可視化實驗，研究了圓筒轉(zhuǎn)速、液體高度對顆粒運動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)流場中顆粒出現(xiàn)滑移運動、塌落運動和拋落運動，滿液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒還出現(xiàn)了離心運動：在圓

7、筒內(nèi)液相流場中存在一個明顯的漩渦結(jié)構(gòu)；圓筒轉(zhuǎn)速較低時幾乎沒有顆粒運動到液體旋入側(cè)，而轉(zhuǎn)速增加到一定值時顆粒會運動到液體旋入側(cè)，并隨轉(zhuǎn)速增加其數(shù)量有所增加；在充液高度低時，顆粒主要分布液體的旋出側(cè)區(qū)域；在充液高度較高時，顆粒在圓筒內(nèi)液體的旋出側(cè)運動，顆粒的分布趨于分散，而隨著充液高度進一步增加，顆粒的分布范圍擴大到圓筒內(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)流場中顆粒群運動與分布特性，分析了顆