非结构化网格上的稠密颗粒两相流数值模拟

摘要

稠密颗粒两相流是由大量离散固体颗粒组成的复杂体系，在工业生产中尤其是化工及能源动力等领域有着非常广泛的应用。稠密颗粒物质系统内存在多种强烈的相互作用，包括颗粒-颗粒/壁面间碰撞接触力和颗粒-流体间耦合作用等，其行为表现多样，物理机理复杂，数值求解困难，是众多学者关注的焦点，对稠密颗粒物质系统行为的研究具有重要的基础科学和工程指导意义。
　　 本文依据系统尺度和“相”描述方式的不同，对目前颗粒两相流领域内的计算模型作了系统的归类，对目前颗粒接触力学模型作了比较全面的总结，此外，还回顾了以往稠密颗粒两相流的应用研究工作，从流态化、气力输送和工业过程这三个应用领域简要总结了人们的发现和所取得的成果。
　　 本文在软件FLUENT提供的二次开发框架内，利用用户自定义函数接口，发展了一套适应复杂计算区域的软球离散颗粒模型非结构化网格算法。该算法采用Model A描述连续相运动方程，基于Hertz和Mindlin-Deresiewicz(MD)简化理论的非线性离散元方法(discrete element method，DEM)进行颗粒间碰撞事件处理和接触力学计算，基于颗粒与网格单元几何位置关系精确计算两相体积分数，使用最小二乘法构建标量重构梯度来实施Euler网格与Lagrange颗粒中心点间的物理量映射，依据用户意愿方便选择连续相控制方程离散格式及压力-速度耦合方式，调用内置代数多重网格求解器迭代求解离散后线性方程组。在程序的实现上，采用链表型式的颗粒信息数据结构，便于物理量的映射和执行效率的提高。
　　 本文通过对比文献实验结果、计算结果来验证非结构化网格上的DEM-CFD耦合算法的合理性和正确性，并将该算法应用于颗粒跃移轨迹和常规流化床鼓泡、喷射等物理现象的模拟计算中。论文从微观的角度重点剖析了稠密颗粒物质系统内气固两相的精细行为和颗粒间力学结构，探讨了脉冲鼓泡现象的形成机理，捕捉到颗粒起动瞬间力链断裂“解锁”现象和系统压降脉冲现象，观察到鼓泡床稳定阶段气穴的S型上升路径，发现床内气体的流动是一个由双主涡到多涡共存再到双次涡的发展过程，颗粒的运动呈现三种形态，即抬升、沿鼓泡边界下滑和角落内“滞缓”运动。此外，论文还通过系列工况的模拟计算，从宏观的角度系统地探讨了床宽、粒径和脉冲速度三个因素对气固单脉冲流化床内鼓泡的特性(包括鼓泡的当量直径，形状因子，上升速度，泄漏率和沿鼓泡边界的气体质量流率)的影响，获得了丰富的规律和结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2稠密颗粒两相流的研究现状

1.2.1颗粒两相流数学模型综述

1.2.2稠密颗粒两相流的应用研究进展

1.3论文目标与主要工作

第二章颗粒两相流基本性质

2.1颗粒的特性描述

2.1.1颗粒的几何特性

2.1.2颗粒的物理特性

2.2颗粒-流体间相互作用

2.2.1颗粒加速度力

2.2.2流体的不均匀力

2.2.3阻力

2.3颗粒松弛过程

2.4稠密颗粒流与稀疏颗粒流

2.5相间耦合方式

2.6稠密颗粒系统流动特点

第三章颗粒接触力学与离散元颗粒模型

3.1颗粒接触力学

3.1.1法向力

3.1.2切向力

3.2离散元颗粒模型

3.2.1硬球模型(Hard-sphere model)

3.2.2软球模型(Soft-sphere model)

第四章非结构化网格上的软球离散颗粒模型

4.1控制方程

4.1.1离散相控制方程

4.1.2连续相控制方程

4.1.3控制方程模型总结

4.2非结构化网格上的离散颗粒模型方程求解

4.2.1连续相方程的有限体积离散

4.2.2非结构化网格上的两相流SIMPLE算法

4.3颗粒运动方程的求解

4.4非结构化网格上软球离散颗粒模型的实现

4.4.1数据结构和算法流程

4.4.2时间步长的确定

4.4.3颗粒间接触检测和碰撞处理

4.4.4两相体积分数计算

4.4.5 Euler网格单元与Lagrange离散点之间的物理量映射

第五章软球离散颗粒模型的应用

5.1沙粒跃移轨迹模拟

5.2流化床的数值模拟

5.2.1连续鼓泡

5.2.2单个脉冲鼓泡

5.2.3含浸埋管鼓泡床

5.2.4锥形喷动床

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢