稀颗粒条件下单孔气—液鼓泡行为的三维DPM-VOF数值模拟

摘要

论文将离散颗粒方法(Discrete Particle Method,DPM)与流体体积(Volume of Fluid,VOF)方法相耦合,组建了相应的三维物理和数学模型并设定了初始和边界条件,在Fluent6.3平台上数值模拟较小固体颗粒体积分率下(εs≤4.19％),颗粒的存在对单气孔气-液两相三维鼓泡动力学行为(包括气泡的生成、脱离及上升运动等)的影响。
　　模拟过程中,气相和液相作为连续相采用欧拉观点共用统一连续性方程和运动方程,气泡界面通过VOF模型进行动态追踪;离散相的固体颗粒采用拉格朗日观点通过与欧拉相的双向耦合进行相间动量交换。检验了网格独立性,选用0.5-1mm的网格布局作为本文通用网格尺寸。通过网格局部加密保证模拟精度和减少计算量。对直径为10mm的气泡在液-固悬浮液中的运动行为进行了模拟,与文献数据对比的相对误差在7%以内。气-液两相流与气-液-固三相流的模拟结果与实验数据定性吻合。
　　数值考察了改变颗粒及流体特性,操作条件,孔口表面润湿性等时的单孔鼓泡行为,结果表明:三维模拟能够虚拟再现三相流中气泡螺旋运动的轨迹。在本研究范围内,固体颗粒的存在增大了气泡脱离时间和气泡尺寸,减小了气泡上升速度。气泡脱离时间随颗粒数目和颗粒直径的增大而略有增加,与颗粒密度无关;气泡直径随颗粒数目或颗粒密度增加而略有增大,随颗粒直径增大而总体增大;气泡上升速度随颗粒数目和颗粒密度的增大略有减小,随颗粒直径增大呈波动特征。气泡上升时,其后呈现明显的尾涡区,尾涡区诱导的局部压差吸卷颗粒,使颗粒被气泡夹带上升。孔口材料润湿性对气泡生成过程有显著影响。增大孔口材料的接触角或降低其润湿性使气泡与孔口材料间的接触线向外延伸,从而增大了气泡尺寸。增大孔口气速或表观液速以及降低液体表面张力能缩短气泡脱离时间,而液体黏度对气泡脱离时间影响很小;只有液体表面张力对气泡直径有显著影响;气泡上升速度随表观液速的增大而增大,随孔口气速或液体黏度的增大而略有减小,随表面张力的增加先上升后下降。

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前 言

第一章 文献综述

1.1 课题背景

1.2 多相流中的气泡行为

1.3计算流体力学概述

1.4多相流模拟现状

1.5 计算平台

1.6 多相流测试技术

1.7 本论文研究内容

第二章 三相流模型

2.1 VOF模型

2.2 离散颗粒模型

2.3 离散相与连续相之间的耦合

2.4 离散相的设置

2.5 模型实现与数值方法

2.6 本章小结

第三章 网格独立性检验与模拟结果验证

3.1气液固三相流实验

3.2几何模型与边界条件

3.3网格独立性检验

3.4 模拟结果验证

3.5 本章小结

第四章 气液固三相流中气泡动力学行为的三维模拟

4.1气液固三相流中气泡的形成与运动

4.2颗粒性质的影响

4.3 气孔材料润湿性的影响

4.4操作条件的影响

4.5液体性质的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

符号说明

发表论文及科研情况

致谢