振荡流输送气固两相流的试验和CFD-DEM模拟研究

摘要

保证稀相气力输送系统低速、低能耗下连续稳定地输送是气力输送行业重点关注的问题之一，而振荡流输送技术已被证明具有较好地降压降速的效果。但振荡流场中气固两相流动复杂的多尺度结构未有较为完整的理论指导，严重阻碍了气力输送系统的设计、优化和放大。因此，本文采用PIV技术和CFD-DEM方法深入开展振荡流气力输送过程中气固两相流动机理的研究，对促进振荡流气力输送技术的工业化应用和拓宽稀相气力输送系统产品升级具有重要的学术研究价值。主要研究内容和结论如下： 首先，通过搭建稀相气力输送实验系统研究振荡流对输送系统压降、最小压降速度及能量损耗的影响，并根据压降波动特性分析振荡流输送的平稳性。结果显示，低速输送时振荡流能够降低系统的输送压降、最小压降速度及能量损耗，并且在水平输送管道中振荡流对输送压降减小最为显著；此外，通过分析最小压降的标准差，发现随着颗粒质量流量的增大，振荡流输送系统压降的标准差先减小后增大。 其次，采用PIV技术研究振荡流输送时管道内不同位置和不同气速下的颗粒分布及速度特性。结果显示，相比轴流输送振荡流减少了管底颗粒的沉积层，从而使得管底部颗粒轴向时均速度和径向时均速度均增大，同时增强了输送过程中颗粒的脉动特性；此外，在低速振荡流输送时因不能及时分散颗粒使得其节能效果被削弱，而高速振荡流因过高的输送气速弱化了振荡特性对颗粒流动的影响。 再次，采用试验、高速摄像和图像处理技术测量颗粒的碰撞恢复系数以及颗粒与壁面的摩擦系数；并通过试验测量颗粒群休止角，结合EDEM“虚拟试验”和数学回归分析的方法标定颗粒间的摩擦系数。结果显示，标定后的颗粒间摩擦系数能更好地反应实际颗粒群的流动特性。 最后，采用CFD中动网格技术研究振荡流场的湍流特性，并在已构建的试验颗粒离散元模型的基础上，采用CFD-DEM方法探讨振荡流场颗粒的微观流动特性。结果显示，管道内振荡流的轴向速度沿径向分布更加均匀，且气流具有强烈的切向分量，同时振荡流速度存在周期性的湍流脉动，但沿着管道流动方向振荡流的湍流脉动强度逐渐减弱；此外CFD-DEM模拟显示，振荡流改变了颗粒初始的运动轨迹，增大了颗粒与管壁的碰撞数，减小了颗粒间的碰撞数，并且振荡流输送时颗粒群所受的曳力相比轴流输送时的偏大。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 气力输送的研究现状

1.2.1 气力输送系统的压力特征

1.2.2 气固两相流的流动特性

1.2.3 振荡流气力输送研究现状

1.3 研究内容及思路

1.4 本章小结

第2章 振荡流气力输送系统性能试验研究

2.1 低压压送气力输送实验平台

2.2 颗粒物性参数

2.3 振荡器物性参数

2.3.1 振荡器安装方式

2.3.2 振荡器力学参数

2.3.3 振荡器振动特性

2.4 实验方法及过程设计

2.5 结果与分析

2.5.1 振荡流对系统空载压降的影响

2.5.2 振荡流对系统两相流压降的影响

2.5.3 振荡流对固相附加压降系数的影响

2.5.4 振荡流对系统输送能耗的影响

2.5.5 振荡流对系统输送平稳性的影响

2.6 本章小结

第3章 振荡流输送颗粒流动特性的试验研究

3.1 实验设计

3.1.1 粒子图像测速（PIV）系统

3.1.2 实验过程设计

3.2 振荡流输送的节能机理

3.2.1 颗粒流型

3.2.2 颗粒浓度分布

3.2.3 颗粒时均速度分布

3.2.4 颗粒脉动强度分布

3.3 振荡流强度对管内颗粒流动特性的影响

3.3.1 颗粒流型

3.3.2 颗粒浓度分布

3.3.3 颗粒时均速度分布

3.3.4 颗粒脉动强度分布

3.4 本章小结

第4章 颗粒离散元模型的构建

4.1 颗粒接触碰撞模型

4.2 颗粒碰撞恢复系数的测量

4.3 颗粒与壁面摩擦系数的测量

4.4 颗粒休止角的测量

4.5 颗粒离散元模型的构建

4.5.1 颗粒粒度和密度的标定

4.5.2 颗粒间摩擦系数的标定

4.5.3 颗粒标定参数的验证

4.6 本章小结

第5章 振荡流输送气固两相流的CFD-DEM模拟研究

5.1 CFD-DEM数学模型

5.1.1 气固两相耦合流程

5.1.2 气相控制方程

5.1.3 颗粒运动方程

5.2 模拟模型描述

5.2.1 几何模型及网格划分

5.2.2 模拟条件及参数

5.2.3 网格无关性及模拟验证

5.3 纯振荡流湍流特性

5.3.1 振荡流的速度分布

5.3.2 振荡流的速度脉动特性

5.4 振荡流输送颗粒流动特性

5.4.1 振荡流颗粒运动轨迹

5.4.2 振荡流颗粒弥散特性

5.4.3 颗粒碰撞数

5.4.4 颗粒曳力

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文及参与的科研项目

致谢