《細長粒子氣-固兩相流多向耦合模型構建研究》是依託南京師範大學，由蔡傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：細長粒子氣-固兩相流多向耦合模型構建研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：蔡傑
- 依託單位：南京師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
細長粒子兩相流是以細長形的固相粒子與流場為主體構成的複雜的多相體系，具有高度的非線性力學性質。構建準確有效的細長粒子兩相流多相耦合模型是進行細長粒子兩相流數值研究，獲取細長粒子兩相流體系中細長粒子的運動、碰撞、團聚，流體的壓力、速度等各項兩相流特徵參數的前提和基礎。本課題擬基於氣-固兩相流的固-氣耦合算法，採用高效格線搜尋方案及格線對應技術，構建細長粒子兩相流氣-固雙向耦合數值模擬平台；擬通過構建細長粒子-球形粒子相間耦合模型，構建細長粒子/球形粒子混合兩相流體系數值模擬平台；擬通過將與雙方程模型結合的格子Boltzmann方法與氣-固兩相流的格子Boltzmann直接數值模擬算法相結合，構建高雷諾數湍流細長粒子兩相流的格子Boltzmann直接數值模擬平台。通過本研究，有望形成較完善的細長粒子兩相流多向耦合數值模擬平台，從而在細長粒子兩相流理論研究中形成具有創新性的研究方法和研究手段。
結題摘要
細長顆粒的流化在工農業生產中有非常廣泛的套用，如生物質秸桿流化床燃燒，菸絲在流化床里的乾燥或加濕，藥品在流化床里的包衣等。在進行細長顆粒兩相流理論及數值研究時，很多情況下將細長顆粒抽象為球形顆粒。這樣處理導致的誤差在有些情況下是可以接受的，但在很多情況下是不可以接受的。由於細長顆粒既有位置參數，又有姿態參數，因此它的模型構建相對球形顆粒難度大很多。目前，細長顆粒兩相流的理論研究仍很不成熟，許多問題有待解決。本課題首先基於拉格朗日時間尺度與 模型的耦合關聯式構建起運動的細長顆粒與與湍流之間的雙向耦合關係；通過構建基於細長顆粒離散單元的顆粒間碰撞監測模型，從而改進基於硬球模型、剛體碰撞動力學構建的細長顆粒間碰撞模型。從而構建起多向耦合的湍流－細長顆粒兩相流數學模型。實驗研究很好地驗證了所構建模型的可靠性與準確性。在此基礎上對某一循環流化床內的細長顆粒兩相流動進行了數值研究，並對兩相流場中的湍流流變特性、細長顆粒的流化取向分布特徵以及細長顆粒的速度、角速度分布特徵進行了分析研究。研究表明：（1）沿水平軸線方向上，空氣場四周區域的體積分數小於中心區域的體積分數，並且體積分數分布具有較強的隨機性。（2）隨著提升管內顆粒數量的大量增加，當地空氣場的靜壓強會有明顯的下降，並且，體積分數越小的區域，當地靜壓強會有突降。（3）湍流空氣場速度沿徑向呈中間均勻，而近壁處則由於粘性支層的原因而急速下降直至與壁面速度相同分布，並且，有細長顆粒停留的區域當地速度會有較為明顯的下降。（4）沿高度向上，大量細長顆粒的存在一方面會導致當地速度梯度增加，從而導致該高度上的湍動能增加，另一方面又會消耗一部分當地湍動能，從而導致當地的湍動能產生突降。湍動能的變化是兩種影響因素共同作用的結果。（5）在流化床提升管內由徑向中心區域到近壁區，細長顆粒的取向分布越趨明顯，近壁區受壁面約束影響，以0°-15°章動角姿態流化運動的細長顆粒的數量最多，其它徑向區域則以15°-30°章動角姿態流化運動的細長顆粒的數量份額為最高。（6）在流化床提升管內，由床層底部到提升管出口處，細長顆粒的取向分布越趨明顯，並且以30°-45°章動角姿態流化運動的細長顆粒越來越多，並在提升管出口處達到最大值。該項目的研究進一步完善了細長顆粒兩相流理論研究體系，也為細長顆粒循環流化床工業套用提供了有益的理論支持及指導。
