作為生物質(zhì)最主要的存在形態(tài),桿狀顆粒流動(dòng)與傳熱機(jī)制的研究是開發(fā)生物質(zhì)利用新工藝及優(yōu)化現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)。但由于桿狀顆粒具有長軸及方向性,其流動(dòng)、混合、傳熱等特性以及與流體之間的作用十分復(fù)雜。更好地理解和掌握桿狀顆粒的流動(dòng)、混合特性及傳熱機(jī)制,有助于更好地控制及優(yōu)化相關(guān)的工業(yè)過程。滾筒干燥和流化床燃燒是生物質(zhì)利用的重要單元操作,但目前關(guān)于桿狀顆粒的流化特性及其中控制機(jī)制的研究仍然不足,關(guān)于桿狀顆粒在流化床、滾筒等設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)及混合特性研究仍然缺乏,而關(guān)于桿狀顆粒間以及桿狀顆粒與氣體間復(fù)雜的傳熱行為更是迄今未見報(bào)道。因此,開展針對(duì)桿狀顆粒的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,具有十分重要的科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬已成為研究顆粒系統(tǒng)的重要工具。其中,基于顆粒軌道方法的離散單元法（Discrete Element Method,DEM）是應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)值模擬方法。本文即聚焦于非球形離散單元法所存在的一些技術(shù)難題,針對(duì)性的提出解決方案。隨后,把該方法用于桿狀顆粒系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究中,以探索桿狀顆粒的流動(dòng)、混合、傳熱特性及其中的控制機(jī)制。主要研究內(nèi)容包括:（1）建立了可精確描述桿狀... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：171 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

生物質(zhì)流化床氣化爐示意圖[1]

捎孟咝緣??阻尼模型所預(yù)測(cè)的宏觀顆粒體系運(yùn)動(dòng)特性與真實(shí)物理過程基本相同，故線性彈簧-阻尼模型依然是目前應(yīng)用最為廣泛的模型[4]。但在現(xiàn)有的大部分模型中，并沒有考慮到滾動(dòng)摩擦的影響。相關(guān)研究已表明，滾動(dòng)摩擦在許多過程中的影響不可忽略，如顆粒的堆積過程等[10]。因此，人們又將滾動(dòng)摩擦引入到DEM模型中[10]，該類模型不僅考慮了法向力和切向力及其力矩，還包含了由滾動(dòng)摩擦引起的滾動(dòng)摩擦力矩，故其目前在DEM中是較為完善的模型之一。在該類模型中，每一種作用力和力矩都可簡化為一個(gè)彈簧、一個(gè)阻尼和一個(gè)滑動(dòng)器，如圖1.2所示，可通過四組彈性-阻尼方程進(jìn)行求解，故該類模型可稱為四方程模型。圖1.2四方程模型[4]DEM還可以和有限元法（FiniteElementMethod）、計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）等方法結(jié)合用以解決各種問題。其中，將DEM與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合便是我們通常所說的CFD-DEM耦合模型，可用于模擬顆粒-流體兩相體系。在CFD-DEM

Р┦墾?宦畚男髀?4模型中，CFD用于流體相的求解，DEM用于顆粒相的求解，兩者通過相應(yīng)的模型進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量及能量等的傳遞來實(shí)現(xiàn)耦合，進(jìn)而解決顆粒-流體系統(tǒng)的數(shù)值模擬問題。CFD-DEM耦合模型是一種普遍適用的模擬流-固兩相體系的方法，該模型所需的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較少，無論是顆粒部分還是流體部分，都可以使用更為符合自身特點(diǎn)的模型進(jìn)行求解，顆粒的形狀、粒徑分布、物理性質(zhì)等都可以較為方便地考慮進(jìn)來，故其相較于其他模型（如雙流體模型[11]），可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種流-固兩相體系中顆粒的運(yùn)動(dòng)及其與流場(chǎng)的相互影響等。圖1.3CFD與DEM間的信息傳遞與耦合過程[12]CFD-DEM方法最早由Tsuji等[13]于上世紀(jì)90年代提出，其計(jì)算流程大致為：如圖1.3所示，在每一時(shí)間步內(nèi)，DEM提供顆粒位置、速度等顆粒尺度的信息；隨后，根據(jù)上述信息可計(jì)算出CFD單元的空隙率（ε）及顆粒相對(duì)流體相的作用力（即Fpf）等參數(shù)；接著，根據(jù)上述參數(shù)，通過CFD即可求解流體的流場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算出流體相對(duì)單個(gè)顆粒的作用力（即fpf）；最后，把上述作用力信息傳遞至DEM用以求解顆粒在下一時(shí)間步的運(yùn)動(dòng)。其中，顆粒相與流體相間的作用力一般主要考慮曳力，目前使用較多的主要是兩種基于實(shí)驗(yàn)建立的半經(jīng)驗(yàn)曳力模型，即Ergun和Wen&Yu模型[14,15]與DiFelice模型[16]。CFD-DEM模型在早期發(fā)展過程中存在諸多不足，但通過眾多研究人員的努力，該模型日趨成熟[17-19]。例如，早期人們就流體運(yùn)動(dòng)方程（即Navier-Stokes方程）中壓降的處理方式存在分歧：一種認(rèn)為壓降應(yīng)同時(shí)作用于流體相與顆粒相（ModelA），另一種認(rèn)為壓降應(yīng)只作用于流體相（ModelB）[20]。后來隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在模擬單組份顆粒體系時(shí)兩者的差別不大[21]，但在模擬二元顆粒體系時(shí)ModelB的模擬結(jié)果應(yīng)更為準(zhǔn)確[22]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]雙錐型混合器內(nèi)顆�；旌霞霸龌鞕C(jī)理研究[D]. 江茂強(qiáng).浙江大學(xué) 2010



本文編號(hào)：3134026