本文選題：碰撞 + 圓筒��； 參考：《東南大學(xué)》2016年博士論文

【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(guò)程中,由于流體與顆粒間及顆粒與顆粒間復(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(Volume of Fluid)和DEM(Discrete Element Method)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VOF-DEM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(lái),本論文主要研究?jī)?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)中顆粒存在碰撞、滲透及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；碰撞使顆粒直接離開(kāi)碰撞區(qū)域或在碰撞區(qū)域來(lái)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(kāi)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(kāi)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(mǎn)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(méi)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),顆粒的分布呈現(xiàn)環(huán)形分布。3.利用VOF-DEM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,分析了顆粒液體密度比、液體粘度、液相高度及圓筒轉(zhuǎn)速對(duì)液體中固體顆粒分散特性的影響。結(jié)果表明：在部分充液旋轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)液相流場(chǎng)中存在渦流,顆粒群在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)及渦流的作用下運(yùn)動(dòng)并逐漸分散至整個(gè)液相區(qū)域。液體黏度的增加,能有效改善旋轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)液相中顆粒群的分散性；顆粒密度的增加,導(dǎo)致顆粒分散驅(qū)動(dòng)力下降,使得液相中顆粒群分散性減弱：液相高度較低或較高時(shí),顆粒在液相旋出側(cè)或者在液相與壁面接觸區(qū)域和氣液界面區(qū)域發(fā)生聚積；圓筒旋轉(zhuǎn)角速度小時(shí),顆粒聚積在液相的旋出側(cè)；旋轉(zhuǎn)角速度增加,部分顆粒會(huì)運(yùn)動(dòng)到液相的旋入側(cè),且顆粒群的分散性能夠得到一定的改善。4.利用CFD-DEM方法數(shù)值模擬了方形截面扭曲管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng),分析了幾何結(jié)構(gòu)、入口速度、顆粒液體密度比對(duì)扭曲管內(nèi)固液流動(dòng)、顆粒運(yùn)動(dòng)及顆粒分布的影響。結(jié)果表明：扭曲管截面內(nèi)存在一個(gè)逆時(shí)針的旋流,而四個(gè)角落的二次流是其重要的組成部分；扭曲管內(nèi)大部分顆粒有相對(duì)明顯的螺旋運(yùn)動(dòng)；對(duì)比直管,扭曲管內(nèi)的旋流能夠改善顆粒速度的一致性；在入口速度較小且扭曲比小時(shí),速度對(duì)顆粒分散性影響較少,而在速度較大且扭曲比大時(shí),速度對(duì)顆粒分散性影響較大；在扭曲比小時(shí),顆粒液體密度比對(duì)顆粒分散性影響較大,而在扭曲比大時(shí),顆粒液體密度比對(duì)顆粒分散性影響相對(duì)較少。
[Abstract]:This paper introduces direct simulation Monte Carlo ( DSMC ) method to describe the particle motion and distribution in the rotating flow field .
Based on the VOF ( Volume of Fluid ) and DEM ( Discrete Element Method ) method , the VOF - DEM theoretical model of particle flow in partial liquid filled cylinder was established and the numerical simulation was carried out .
In this paper , the particle motion and distribution characteristics of a rectangular cross - section twisted tube flow are numerically simulated by using the CFD - DEM method . The main research contents and conclusions are as follows : 1 . Using the DSMC method to study the particle behavior characteristics in the rotating flow field of the cylinder under the action of jet impact excitation , the particle behavior in the rotating flow field of the cylinder under the action of jet impact excitation is analyzed .
Collision causes the particles to move directly out of the collision zone or back and forth in the collision zone : the increase in the velocity of the inlet gas can enhance the dispersion of the particles from the collision zone to other areas ;
In this paper , the effects of cylinder speed and liquid level on particle motion and distribution are studied .
There is an obvious vortex structure in the liquid phase flow field in the cylinder .
When the rotation speed of the cylinder is low , little particles move to the liquid spinning side , while the rotation speed is increased to a certain value , the particles move to the liquid spinning side , and the number of the particles increases with the rotating speed ;
When the liquid filling height is low , the particles mainly distribute the spinning - out side area of the liquid ;
The effects of particle swarm and particle size distribution on the dispersion of solid particles in liquid are studied by using VOF - DEM method .
the increase of the particle density causes the particle dispersion driving force to decrease , so that the particle group dispersibility in the liquid phase is reduced : when the liquid phase height is lower or higher , the particles are accumulated in the liquid phase rotation - out side or in the contact area between the liquid phase and the wall surface and the gas - liquid interface area ;
the cylinder rotates angular velocity for hours , and the particles are accumulated on the rotary - out side of the liquid phase ;
The effects of geometric structure , inlet velocity and liquid density ratio on the solid - liquid flow , particle movement and particle distribution in the twisted tube are analyzed by using the CFD - DEM method .
the majority of the particles in the torsion tube have relatively obvious helical movement ;
Compared with the straight tube , the swirl in the twisted tube can improve the consistency of the particle velocity ;
When the inlet velocity is small and the twist ratio is small , the effect of the velocity on the particle dispersion is less , and when the speed is large and the distortion ratio is large , the velocity has great influence on the particle dispersion ;
When the twist ratio is small , the density ratio of the particles is larger than that of the particles , and when the twist ratio is large , the density ratio of the particles is relatively less than that of the particles .

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TK12

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本文編號(hào)：1755643