气力输送的CFD-DEM建模与数值模拟研究

"这篇博士学位论文主要探讨了气力输送（Pneumatic Conveying）这一在化工、过程工程和农业工业中广泛应用的技术。气力输送虽然环保、灵活且可自动化，但也存在高能耗、磨损、堵塞和颗粒降质等问题。为优化设计和操作，论文通过结合离散元素模型（DEM）和计算流体动力学（CFD）的三维方法，开发了一种用于模拟固体颗粒在直管和弯管中的气力输送过程的模型。 在CFD-DEM模型中，颗粒运动由DEM根据牛顿运动定律计算，流体流动则通过解局部平均的纳维-斯托克斯方程进行。此模型能模拟颗粒的详细动态，如轨迹、速度和受力，以深入理解气力输送的基本原理。CFD模型采用了非交错体网格的有限体积方法。为了提高数值模拟的效率和稳定性，研究者在模型中实施了若干新策略，包括粒子位置与网格单元关联的点定位方法、气体性质的最小二乘插值、气体和固相的流动方向上的适当周期性边界条件，以及在计算孔隙率和颗粒-流体交互力时的球形细胞概念。模型的预测结果与实验数据吻合，表明其能定量预测槽式流动的压力降、沉淀层高度、颗粒速度，以及垂直稀相气力输送中的平均空隙率。 应用开发的CFD-DEM模型，论文进一步研究了水平稳定块流、水平块流的不稳定运动以及垂直管道内的流态，并对这些情况下的力进行了详细分析。模型成功捕捉到气力输送的关键行为，包括：(1)块流与沉淀层之间的颗粒交换、气体压力特征、气体速度、块流速度和颗粒速度的相互关系，以及气体和固体流量对块流速度和块流长度的影响；(2)水平气力输送中块流的启动、形成和组合以及周期性特性；(3)垂直气力输送中的流态和流态转换。这些结果与实验观察一致。 力分析得出以下结论：(1)在水平稳定块流中，块流的宏观运动受轴向颗粒-流体和颗粒-壁面相互作用控制，微观上，颗粒-颗粒相互作用导致块流扫起沉淀层中的颗粒，这些交互力随气体和固体流量增加而增大；(2)水平块流内部的正接触力结构在达到稳定状态时，沿轴向依次呈现均匀、非均匀和均匀分布；(3)在垂直气力输送中，压降与气体速度的关系可以通过颗粒-流体力和气体-壁面摩擦力的机制来解释。 这项研究为气力输送的物理现象提供了深入的理论基础，为实际应用中的设计优化提供了有力的工具。"