粉体流动与传热特性的离散单元模拟研究

论文摘要

波面型板移动床换热器作为新型的换热设备,具有广泛的应用前景。但由于其内部密相颗粒流动与传热的复杂性,人们对其工作机理的认识还远不能令人满意。随着计算机技术的发展,离散单元法(discrete element method,DEM)数值模拟技术能够对实验中难以测量的一些过程和细节进行精度高的研究,因此成为目前研究的有效方法。本文开发了基于离散单元法的密相颗粒流流动特性模拟的通用程序,并利用该程序对底部中间开口平底移动床的颗粒流动实验进行了模拟和分析,验证了程序的正确性,为进一步开发适合波面型板移动床换热器流道内的颗粒流动程序奠定了基础。对本文采用的复合肥颗粒的摩擦性质进行了探讨。推导得出了湿颗粒的液桥力模型,运用离散单元模型与颗粒液桥力模型相结合,对复合肥颗粒吸湿后,粉体休止角的影响进行了初步研究。计算表明当含水量较小时,对颗粒的静态、动态休止角影响非常小;当含水量较大时,运动过程中颗粒滞留,静态休止角增大,动态休止角随转速的增加而减小。运用离散单元法对波面型板移动床换热器流道内的复合肥颗粒的运动特性进行了数值模拟与实验研究。针对波形壁面这种复杂边界形成的两种流道,对堆积状态下颗粒系统的受力规律、空隙率变化,流动过程中颗粒流型、受力、颗粒的速度、单个颗粒的轨迹跟踪、空隙率等的变化进行了详细的研究。并建立了一个2D波面流道实验装置,验证了模拟的正确性。从而也为研究复杂颗粒系统提供了一种非常有效的途径。在获得粉粒体流动参数的基础上,结合颗粒接触(碰撞)传热模型,对粉粒体在波形壁面流道内的传热规律进行了初步研究,为颗粒接触传热建立完整的数学模型和物理模型提供基础。模拟表明,当粉粒体流速为零,即固定床状态下,颗粒系统内的温度分布具有不均匀性;传热系数随着时间的增加小幅波动后迅速降低,当降低到某一值之后,降低的速度减慢;靠近波面板边壁颗粒温升较快,粉粒体中心区域颗粒经历较长时间达到稳定值,且值较小。另外,模拟得到了粉粒体流速在30～150mm/min的范围内,颗粒的平均停留时间、传热系数、颗粒平均温度的变化规律,模拟结果与实验结果基本相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 粉体及其特征
• 1.2 粉体流动研究方法及离散单元法的应用
• 1.2.1 粉体流动研究方法
• 1.2.2 离散单元法的应用
• 1.3 颗粒接触传热研究现状
• 1.4 波面型板移动床换热器的应用与研究
• 1.4.1 波面型板移动床换热器简介
• 1.4.2 波面型板移动床换热器的研究现状
• 1.5 本章小结
• 2 粉粒体流动的离散单元模拟技术及程序验证
• 2.1 离散单元法的数学模型
• 2.2 离散单元法中有关参数的确定
• 2.2.1 摩擦系数
• 2.2.2 弹性系数
• 2.2.3 阻尼系数
• 2.2.4 时间步长
• 2.3 颗粒接触的邻居搜索方法与接触判断
• 2.3.1 邻居元列表法
• 2.3.2 网格算法
• 2.3.3 接触判断
• 2.4 离散单元法的计算步骤
• 2.5 密相粉粒体流动的程序验证
• 2.5.1 装置尺寸与模拟参数
• 2.5.2 床内颗粒填充过程模拟
• 2.5.3 模拟结果分析与讨论
• 2.6 本章小结
• 3 颗粒物性测量
• 3.1 粉粒体休止角的测量
• 3.2 湿颗粒对休止角的影响探究
• 3.2.1 液桥力分析
• 3.2.2 静态休止角
• 3.2.3 动态休止角
• 3.3 本章小结
• 4 波面型板移动床换热器内粉粒体运动特性的离散元模拟
• 4.1 波面流道内粉粒体流动特性模拟
• 4.1.1 颗粒静止堆积流道时的受力分析
• 4.1.2 流动过程中颗粒流型变化
• 4.1.3 流动过程中波面流道受力变化
• 4.1.4 颗粒速度变化与下落轨迹
• 4.1.5 流动过程中空隙率变化
• 4.1.6 颗粒速度的空间分布
• 4.2 一侧为波形壁面,一侧为直边壁的流道内颗粒运动研究
• 4.2.1 颗粒静止堆积流道时的受力分析
• 4.2.2 流动过程中颗粒流型变化
• 4.2.3 流动过程中波形边壁受力变化
• 4.2.4 颗粒速度变化与下落轨迹
• 4.2.5 流动过程中空隙率变化
• 4.2.6 颗粒速度的空间分布
• 4.3 波面流道内颗粒流动的实验研究
• 4.3.1 实验装置和实验方法
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 波面流道内密相颗粒流传热的初步研究
• 5.1 密相颗粒接触传热数学模型
• 5.1.1 颗粒接触导热模型
• 5.1.2 颗粒一气体的传热模型
• 5.1.3 传热系数的求解
• 5.2 波面流道内粉粒体接触传热的数值模拟
• 5.2.1 固定床状态下颗粒接触传热模拟
• 5.2.2 粉粒体流速对传热的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A MB45水分测定仪的使用过程
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢