含固体颗粒的两相流界面变化的数值研究——DEM-VOF方法的实现

摘要

颗粒多相流问题，涉及很多与颗粒相关的工程学科，如能源，矿业、冶金、石油、环保、岩土和化学工程等，虽然单颗粒的行为很容易分析得到，但随着颗粒数量的增多，颗粒之间的复杂接触作用导致颗粒群的行为特征与多相流体系尺度极为相关。对于涉及颗粒的化工过程而言，不同尺度不同规模的颗粒多相流体系的特性是截然不同的，需要逐个对小试规模和中试规模进行试验分析。小试规模的冷态试验和热态试验其成本和时间尚能接受，而对于中试规模来说，试验成本过于高昂和试验时间较长。目前，工程领域迫切需求以合理的计算成本为前提，建立计算结果满足工程要求的数值模型，有效代替试验减少试验次数，缩短研发时间。由于颗粒多相流体系复杂，在保证计算成本符合工程要求下和普适的颗粒多相流数学模型意味着计算成本的急剧增加，合理的颗粒多相流数值模型都是针对一类问题。 对于含固体颗粒的两相流界面变化问题，本文开发了一套DEM-VOF的耦合数值计算模型，并应用雷诺应力湍流模型(Reynolds stress model,RSM)。另外，本文提出了一种新的计算流体网格空隙率的方法，即virtual dual-grid porosity model。为了验证DEM-VOF模型，本文通过首先计算在不同雷诺数下单颗粒从空气落入水中，计算得到的颗粒沉降速度曲线与理论一致；另外还分别计算了颗粒群落入水中和颗粒群浮出水面两种工况，其结果与文献Sun计算一致，进一步验证了本文所开发的DEM-VOF模型的正确性。进一步，基于DEM-VOF模型，本文首次对含固体颗粒自由表面流的液固搅拌系统进行了数值研究。通过对四种几何结构的搅拌器的液固混合计算结果进行分析，得到椭圆封头的搅拌槽比平底搅拌槽更优，这与文献结果一致，进一步验证了DEM-VOF模型可用于含固体颗粒自由表面流的液固搅拌系统。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容

第2章 多相计算流体力学概述

2.1 计算流体力学概述

2.1.1 计算流体力学的工作步骤

2.1.2 网格生成技术介绍

2.1.3 计算流体力学的求解方法

2.2 多相计算流体力学

2.2.1 界面捕获类多相流模型

2.2.2 高相分数多相流模型

2.2.3 颗粒流中的欧拉-拉格朗日模型

2.3 本章小结

第3章 数值模型

3.1 DEM模型

3.2 VOF模型

3.3 颗粒与流体的相互作用

3.3.1 相之间作用力的计算

3.3.2 网格空隙率的计算

3.4 耦合计算策略

3.5 本章小结

第4章 模型验证

4.1 单颗粒沉降过程

4.2 颗粒群与水相交互过程

4.3 本章小结

第5章 在液固搅拌体系中的应用

5.1 液固搅拌体系

5.2 模拟结果分析

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

致谢