本文選題：碰撞 + 圓筒��； 參考：《東南大學》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間復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意義,并且對指導工程實際中顆粒流的優(yōu)化與設計具有重要的工程應用價值。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(Volume of Fluid)和DEM(Discrete Element Method)方法建立了部分充液圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場中顆粒流動的VOF-DEM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)流場中顆粒群運動與分布特性,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)液相流場中存在渦流,顆粒群在旋轉(zhuǎn)流場及渦流的作用下運動并逐漸分散至整個液相區(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,導致顆粒分散驅(qū)動力下降,使得液相中顆粒群分散性減弱：液相高度較低或較高時,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,顆粒聚積在液相的旋出側(cè)；旋轉(zhuǎn)角速度增加,部分顆粒會運動到液相的旋入側(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)流場中顆粒運動,分析了幾何結(jié)構(gòu)、入口速度、顆粒液體密度比對扭曲管內(nèi)固液流動、顆粒運動及顆粒分布的影響。結(jié)果表明：扭曲管截面內(nèi)存在一個逆時針的旋流,而四個角落的二次流是其重要的組成部分；扭曲管內(nèi)大部分顆粒有相對明顯的螺旋運動；對比直管,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,速度對顆粒分散性影響較少,而在速度較大且扭曲比大時,速度對顆粒分散性影響較大；在扭曲比小時,顆粒液體密度比對顆粒分散性影響較大,而在扭曲比大時,顆粒液體密度比對顆粒分散性影響相對較少。
[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 .

【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK12

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本文編號：1755643