多相流场中颗粒运动及约束面磨损的CFD-DEM耦合模型

摘要

目前,人们对流固两相流动中很多现象和过程还了解较少,根本原因是对流固两相间作用机理的不了解,对其的研究还主要停留在简单的实验观测和通过实验数据构造经验公式上。实验研究和理论研究存在较大的局限性,一般认为,数值模拟可以弥补实验和理论研究中的一些不足,并逐渐成为一种被广泛接受的研究方法。
　　Reτ流动行为进行研究。而后建立了基于欧拉-拉格朗日思想的流固两相耦合模型,采用耦合计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)的方法,以颗粒与约束面的冲击力大小表征约束面磨损程度,分别模拟了圆形截面弯管中气力输送过程、圆形截面弯管中砂浆输送过程和化学机械抛光过程,研究了复杂流场中颗粒运动行为和由于颗粒冲击产生的磨损,全文共分为七章:
　　第一章阐述了本文的研究背景,对流固两相流研究内容及研究方法作了简要介绍。首先回顾了低Reτ正方形截面直管道内湍流模拟的研究现状,然后介绍了气力输送和砂浆输送过程数值模拟方法及管壁磨损模型研究成果,最后对化学机械抛光过程研究现状做回顾,并概括了全文的研究内容和研究意义。
　　第二章建立了湍流直接数值模拟模型,引入自适应时间步长法和四阶高精度空间离散格式。首先通过数值算例验证了自适应时间步长法的高效性,采用虚构解方法验证了计算代码的精度,并利用两点相关函数讨论了流向方向长度的选取。对低Reτ正方形截面直管内湍流复杂流动行为进行研究,并与经典文献结果作对比,验证了开发计算软件的正确性,为下一步引入颗粒相的研究做打下坚实基础。
　　第三章建立了基于欧拉-拉格朗日思想的流固两相耦合模型,阐述了颗粒相的数值模拟方法:离散单元法。采用计算流体力学和离散单元法的耦合的方法,对流化床进行数值模拟研究,并与文献结果作对比,验证了建立模型和开发计算软件的正确性。
　　90气力运输过程,得到了该工况下承载流体压力、速度分布及颗粒在弯管中的运动分布图,并统计了弯管内外壁受力及磨损情况,计算结果与文献中实验观测结果作比较,两者吻合较好;然后采用该方法模拟了多级弯管内气力运输过程,比较了多级弯管与90弯管中承载流体压力损失、速度分布,并统计了多级弯管管壁各部位受力及磨损情况,本章结果可为气力输送过程弯管优化设计提供一定的指导。
　　第五章研究了圆形截面弯管内砂浆输送过程。首先模拟了圆形截面90弯管工况砂浆输送过程,比较了同等工况下砂浆输送与气力运输中流体压力、速度分布及颗粒在弯管中的运动特性的不同,统计了弯管外壁受力及磨损情况,计算结果与实际输送过程中破损弯管作比较,发现数值模拟预测破损位置与实际破损位置吻合较好;然后分别研究了输送速度与布管对最易破损位置的影响;最后研究了U形管中砂浆输送过程中承载流体压力、速度分布及颗粒在弯管中的运动特性,统计了U形弯管管壁磨损。本章结果可为砂浆输送过程弯管优化设计提供一定的指导。
　　第六章研究了化学机械抛光过程。首先通过2个数值实验与他人实验数据进行对比,验证了采用PFC3D-CCFD软件模拟纳米两相流问题的可行性。而后对化学机械抛光过程进行数值模拟,研究了晶片和抛光垫转速、颗粒相体积分数对晶片表面去除率的影响,解释了实验中观测到的一些现象。本章结果可为化学机械抛光工艺过程参数的优化提供一定的依据。
　　最后,对全文研究内容和创新点进行了简要总结,并指出了研究中的一些不足和改进方案。

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第一章 绪 论

§1.1 研究背景

§1.2 低Reτ正方形截面直管道中湍流流动研究现状

§1.3 圆形截面管道输送过程及管壁磨损研究概述

§1.4 化学机械抛光研究现状

§1.5 本课题研究的来源、内容及意义

第二章 正方形截面直管中湍流DNS模型和数值方法

§2.1 非稳态项时间积分方法

§2.2 空间四阶离散格式

§2.3 离散形式微分算子的性质

§2.4 分数步长映射法和压力Poisson方程求解

§2.5 代码验证和模型校准

第三章 流固耦合数值模型和数值算法

§3.1 连续相控制方程及流固耦合力的计算

§3.2 颗粒相模拟方法

§3.3 流固耦合算例：流化床模拟研究

第四章 圆形截面弯管中气力输送过程模拟及管壁磨损研究

§4.1 90?弯管内气力输送过程数值模拟

§4.2 多级弯管中气力输送过程数值模拟

§4.3 本章小结

第五章 圆形截面弯管中砂浆输送过程模拟及管壁磨损研究

§5.1 90?弯管中砂浆输送过程数值模拟

§5.3 本章小结

第六章 CMP过程中磨粒运动特性及去除率研究

§6.1 校正数值实验

§6.2 CMP模拟

总结与展望

参考文献

附录A：非稳态项时间积分方法（EigenCD）

致谢

攻读博士期间发表论文清单