一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法技术

本发明专利技术涉及一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，本发明专利技术采用DEM离散单元模型对颗粒相进行理论建模，将气相视作连续相，固相视作离散相，可对气固两相流动过程中任意时间段、任意形状颗粒的流动及碰撞过程进行追踪，便于分析粘性非球形颗粒气固两相流动过程的流动及碰撞特性；综合考虑非球形颗粒的形状以及颗粒相与气相、颗粒相与颗粒相之间的相互作用，使仿真计算结果更贴近实际过程，并更具可靠性；通过更改入口参数及边界条件，对比不同工况下非球形颗粒的流动特性，从而对含有粘性颗粒气固两相流动过程的工艺设备进行优化；具有仿真结果直观、计算精度高、可靠性好等显著优点。好等显著优点。好等显著优点。

【技术实现步骤摘要】
一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法


[0001]本专利技术涉及一种基于CFD
‑
DEM模型的流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，对颗粒在气固两相流过程中的流动及碰撞过程进行数值模拟和计算，可用于获取流化床内非球形粘性颗粒气固两相流动过程的流动及碰撞特性。

技术介绍

[0002]粘性颗粒流动过程是一种工业生产中常见的过程，目前在造粒、燃烧、除尘等领域均有较为广泛的应用，在颗粒气固两相流动过程中常伴随颗粒间的碰撞过程。数值模拟方法是研究颗粒流动特性的一种重要方法，然而当前大多数研究都将颗粒形状简化为了球形。虽然将颗粒假设为球形可以缩短模拟时间，提高计算效率，但是在真实的工业过程中，颗粒通常为外观形貌不规则的非球形颗粒，非球形颗粒具有较为明显的各向异性特征，其流动及碰撞过程与球形颗粒的流动过程有显著的差别，如果不考虑颗粒形状的影响，将会使数值模拟计算结果的准确度大幅降低，因此对非球形颗粒流动特性的数值模拟研究具有重要意义。

技术实现思路

[0003]针对上述情况，为克服现有技术之不足，本专利技术之目的就是提供一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法。
[0004]本专利技术解决的技术方案是：
[0005]一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006](1)采用球元拼接法建立不同球形度的非球形颗粒物理模型；
[0007](2)建立用于气固两相流动过程的流化床物理模型；
[0008](3)建立流化床气固两相流动过程中的气相运动方程组；
[0009](4)建立流化床气固两相流动过程中的固相运动方程组；
[0010](5)建立气固两相流动过程中颗粒间的粘附性接触模型；
[0011](6)确定气固两相流动过程中颗粒碰撞存在的情况，具体包括：
[0012]a、单个球元与单个球元间的碰撞；
[0013]b、单个球元与多个球元碰撞；
[0014]c、多个球元与多个球元碰撞；
[0015]d、单个球元与壁面碰撞；
[0016]e、多个球元与壁面碰撞；
[0017](7)建立气固两相流动过程的非球形颗粒碰撞核模型；
[0018](8)基于上述步骤建立的模型和运动方程组，在相同的基本求解参数下，对流化床内不同形状的非球形颗粒气固两相流动过程进行CFD
‑
DEM仿真计算；比较不同球形度颗粒在流化床模型内的运动轨迹及碰撞率，得到颗粒形状对流化床内粘性颗粒流动及碰撞特性
的影响规律；
[0019]所述基本求解参数包括气相流速、颗粒密度、颗粒数量。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021](1)本专利技术采用DEM离散单元模型对颗粒相进行理论建模，将气相视作连续相，固相视作离散相，可对气固两相流动过程中任意时间段、任意形状颗粒的流动及碰撞过程进行追踪，便于分析粘性非球形颗粒气固两相流动过程的流动及碰撞特性。
[0022](2)本专利技术综合考虑非球形颗粒的形状以及颗粒相与气相、颗粒相与颗粒相之间的相互作用，使仿真计算结果更贴近实际过程，并更具可靠性。
[0023](3)本专利技术可以通过更改入口参数及边界条件，对比不同工况下非球形颗粒的流动特性，从而对含有粘性颗粒气固两相流动过程的工艺设备进行优化。
[0024](4)本专利技术具有仿真结果直观、计算精度高、可靠性好等显著优点，可以较为便捷地得到实验方法中难以直接获取的颗粒流动及碰撞的规律及参数。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例流化床物理模型的网格划分图。
[0026]图2为本专利技术实施例非球形颗粒模型示意图。
[0027]图3为本专利技术实施例不同形状颗粒轨迹图。
[0028]图4位本专利技术实施例非球形颗粒碰撞率随粒径变化图。
[0029]图5位本专利技术实施例碰撞率随颗粒球形度变化图。
[0030]图6为本专利技术CFD中的两相流模型耦合计算流程图。
具体实施方式
[0031]以下结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。
[0032]本专利技术公开了一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，包括以下步骤：
[0033](1)采用球元拼接法建立不同球形度的非球形颗粒物理模型；
[0034]具体为：
[0035]球元拼接法即采用若干个小球面通过拼接的方式来构建不同形状颗粒的方法；采用球形度来描述非球形颗粒的外观形貌特征，其数学表达式如下：
[0036][0037]其中，S
ev
为与颗粒体积相同的球体表面积，S
c
为颗粒的实际表面积，d
ev
为与颗粒体积相同的球体直径，d
es
为与颗粒表面积相同的球体直径；
[0038](2)建立用于气固两相流动过程的流化床物理模型；
[0039](3)建立流化床气固两相流动过程中的气相运动方程组；
[0040]气相运动方程组为：
[0041][0042][0043]其中，ε为网格内空隙率；ρ
g
为气相密度；u
g
为气相速度；p为气相压力；g为当地重力加速度；τ为应力张量；F
g
为单位网格内气固作用力的矢量和：F
g
＝F
d
+F
m
+F
s
，F
d
为曳力，F
m
为Magnus升力(马格努斯升力)，F
s
为Saffman升力(萨夫曼升力)；所述F
d
由下式计算：
[0044]F
d
＝β(u
s
‑
u
g
)
[0045]其中，β为气固相间曳力系数，具体表达式如下：
[0046][0047]其中，μ
g
为气相黏度；为颗粒的当量直径；C
D
为单个颗粒的曳力系数，通过以下公式求得：
[0048][0049]颗粒雷诺数Re用下式表示：
[0050][0051]其中，u
g
为气相速度，u
s
为固相速度。
[0052](4)建立流化床气固两相流动过程中的固相运动方程组；
[0053]颗粒的滑移、平动和转动在系统中遵循牛顿第二定律，固相运动方程组可通过下式描述：
[0054][0055][0056]式中：m
s
为颗粒质量；F
c
为颗粒间接触力；G
s
为重力；I
s
为转动惯量；ω
s
为旋转角速度；T
s
为力矩；
[0057](5)建立气固两相流动过程中颗粒间的粘附性接触模型；
[0058]具体为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用球元拼接法建立不同球形度的非球形颗粒物理模型；(2)建立用于气固两相流动过程的流化床物理模型；(3)建立流化床气固两相流动过程中的气相运动方程组；(4)建立流化床气固两相流动过程中的固相运动方程组；(5)建立气固两相流动过程中颗粒间的粘附性接触模型；(6)确定气固两相流动过程中颗粒碰撞存在的情况，具体包括：a、单个球元与单个球元间的碰撞；b、单个球元与多个球元碰撞；c、多个球元与多个球元碰撞；d、单个球元与壁面碰撞；e、多个球元与壁面碰撞；(7)建立气固两相流动过程的非球形颗粒碰撞核模型；(8)基于上述步骤建立的模型和运动方程组，在相同的基本求解参数下，对流化床内不同形状的非球形颗粒气固两相流动过程进行CFD
‑
DEM仿真计算；比较不同球形度颗粒在流化床模型内的运动轨迹及碰撞率，得到颗粒形状对流化床内粘性颗粒流动及碰撞特性的影响规律；所述基本求解参数包括气相流速、颗粒密度、颗粒数量。2.根据权利要求1所述的流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，其特征在于，所述步骤(1)采用球元拼接法建立不同球形度的非球形颗粒物理模型具体为：采用球形度来描述非球形颗粒的外观形貌特征，其数学表达式如下：其中，S
ev
为与颗粒体积相同的球体表面积，S
c
为颗粒的实际表面积，d
ev
为与颗粒体积相同的球体直径，d
es
为与颗粒表面积相同的球体直径。3.根据权利要求1所述的流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，其特征在于，所述步骤(3)气相运动方程组为：所述步骤(3)气相运动方程组为：其中，ε为网格内空隙率；ρ
g
为气相密度；u
g
为气相速度；p为气相压力；g为当地重力加速度；τ为应力张量；F
g
为单位网格内气固作用力的矢量和：F
g
＝F
d
+F
m
+F
s
，F
d
为曳力，F
m
为Magnus升力，F
s
为Saffman升力；所述F
d
由下式计算：F
d
＝β(u
s
‑
u
g
)其中，β为气固相间曳力系数，具体表达式如下：
其中，μ
g
为气相黏度；为颗粒的当量直径；C
D
为单个颗粒的曳力系数，通过以下公式求得：颗粒雷诺数Re用下式表示：其中，u
g
为气相速度，u
s
为固相速度。4.根据权利要求1所述的流化床中非球形粘性颗粒流动及碰撞特性获取方法，其特征在于，所述步骤(4)固相运动方程组可通过下式描述：所述步骤(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子涵，官卜瑞，耿彪，李冰天，原峥，
申请(专利权)人：河南京能滑州热电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：