大颗粒固液两相流碰撞反弹规律及磨损特性研究

摘要

目前对于固液两相流的研究主要采用实验和数值计算两种方法，但针对大颗粒固液两相流动的研究较少，对其进行数值模拟时缺少较为适合的碰撞反弹模型，因此存在较大的计算误差。本文先针对大颗粒固液两相流进行实验研究，得出适用于大颗粒固液两相流数值计算的碰撞反弹模型，对颗粒和壁面的碰撞反弹进行修正。再应用DPM模型对方形弯管进行固液两相流数值计算，分析各个因素对弯管磨损规律的影响，并对弯管结构进行改进，减小磨损，延长管件使用寿命。
　　以下为主要研究内容:
　　(1)搭建粘性介质中颗粒与壁面的碰撞反弹试验台，研究干表面和浸没表面下不同粒径的颗粒与不同材料壁面的碰撞反弹规律，得出当颗粒粒径较大时(3mm-7mm)，颗粒与壁面碰撞反弹恢复系数与颗粒粒径无关，与介质、碰撞角度、壁面材料及碰撞速度有关。分析了不同碰撞条件下表面摩擦系数的变化规律。最后总结得出适用于大颗粒固液两相流的碰撞反弹模型。
　　(2)通过固液两相流弯管的可视化实验，获取颗粒在弯管中的运动轨迹图，与采用颗粒碰撞反弹实验获得的碰撞反弹模型数值计算得到颗粒轨迹图进行对比，证实目前较常用的两相流碰撞反弹模型并不适用于大颗粒固液两相流数值模拟。实验获取的碰撞反弹模型具有较高的准确性。
　　(3)对进口边长为80mm方形弯管利用SolidWorks进行三维建模。然后采用workbench进行网格划分。最后利用CFD软件Fluent，采用颗粒碰撞试验获取的碰撞反弹模型及合适的磨损模型对弯管进行数值计算，分析粒径、流速、颗粒质量流量、重力方向、颗粒密度、颗粒斯托克斯数等因素对弯管磨损规律的影响，得出一系列能预防和预测弯管冲蚀磨损失效的规律。
　　(4)对弯管结构进行改进，通过在弯管段两侧加侧挡板和在弯管段外侧壁面加横向挡板的方法，有效解决了二次涡对磨损分布不均匀的影响，降低了弯管的最大磨损速率和平均磨损速率。但横向挡板会造成一定的压力损失，且速度越大造成的压力损失越大。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 固液两相流磨损研究现状

1．3 颗粒与壁面碰撞反弹研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 固液两相流数值计算理论和方法

2．1 计算流体力学基本理论

2．2 固相颗粒的模拟方法

2．2．1 颗粒轨道模型

2．2．2 颗粒拟流体模型

2．2．3 Boltzmann方程速度分布函数模型

2．3 Fluent中模型选择的基本原则

2．4 颗粒在运动流体中受力分析

2．4．1 拖曳阻力

2．4．2 颗粒加速度力

2．4．3 流体不均匀力

2．4．4 固液两相流动中颗粒运动基本方程

2．5 颗粒对壁面的碰撞磨损模型

2．5．1 半经验磨损模型

2．5．2 经验磨损模型

2．6 本章小结

第三章 固液两相流中大颗粒与壁面碰撞反弹规律研究

3．1 实验装置

3．2 颗粒速度及角度测量方法

3．3 颗粒碰撞模型及碰撞参数

3．4 实验结果分析

3．5 结论

第四章 方形弯管中固液两相流磨损特性研究

4．1 冲蚀磨损模型

4．2 颗粒与壁面碰撞反弹模型

4．3 管道几何参数和网格划分

4．4 边界条件和计算设置

4．5 网格无关性验证

4．6 碰撞反弹模型准确性验证

4．7 计算结果与讨论

4．7．1 颗粒粒径对磨损规律的影响

4．7．2 液相流速对磨损规律的影响

4．7．3 重力方向对磨损规律的影响

4．7．4 颗粒质量流量对磨损规律的影响

4．7．5 颗粒密度对磨损规律的影响

4．7．6 颗粒轨迹与Stokes数的关系

4．8 弯管结构改进

4．8．1 侧挡板对弯管磨损规律的影响

4．8．2 横向挡板对弯管磨损规律的影响

4．9 本章小结

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果