基于DEM的强力混合机湿颗粒混匀过程中桨叶磨损分析

强力混合机混匀过程中由颗粒流引起的磨损是影响混合机寿命的主要因素,颗粒中混有的少量液体对颗粒流形态以及磨损均有重要的影响。本文基于离散元法（DEM）研究了湿颗粒混匀过程中强力混合机桨叶的磨损,通过Mikami模型模拟湿颗粒中液桥力的复杂作用。采用四种磨损模型进行预模拟,并通过实验得出Huang模型为模拟强力混合机桨叶磨损的最优模型,最后分析了颗粒湿度、粒径以及混合机参数对磨损的影响。试验结果表明：桨叶的磨损主要集中在桨叶的端部和前部;颗粒的湿度能增大颗粒对桨叶表面的作用力及颗粒-桨叶的相对速度而加剧桨叶磨损;桨叶速度的增加和颗粒粒径的减少同样能加剧桨叶的磨损;而料筒转速对桨叶的磨损影响较小。研究结果对于强力混合机结构改进具有一定的意义。     

颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。     

滴灌用水力旋流器中颗粒分离的数值模拟

针对滴灌用水力旋流器,采用高浓度混合多相流模型并结合雷诺应力模型和颗粒动力学理论对其内部颗粒体积浓度分布和分离效率进行了数值模拟。模拟首先得到了水力旋流器内不同粒径颗粒浓度分布情况和分离效果,对于小粒径颗粒主要集中在内旋流区域,分离效率较差,而大粒径颗粒集中在外旋流区域,分离效率较高;对于颗粒分离效率,混合多相流模型和欧拉多相流模型的计算结果基本一致;最后分析了旋流器进口速度和浓度变化对颗粒分离效率的影响。计算结果表明,混合多相流模型可用于水力旋流器内高浓度多相流的数值模拟,对滴灌用水力旋流器的选择和结构优化设计具有重要的指导意义。     

基于Mixture多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流

采用Mixture多相流模型、扩展的标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent对双流道泵全流道内的固液两相湍流进行了数值模拟,并将计算结果与清水单相流数值模拟及泵外特性性能试验进行了对比,揭示了不同粒径及颗粒体积浓度条件下双流道泵全流道内的固液两相流动规律.研究结果表明:在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,但是随着颗粒浓度和粒径的减小,会出现颗粒向背面迁移的趋势;在蜗壳流道内,颗粒主要集中于靠近蜗壳出口侧的流道区域,颗粒运动轨迹紊乱,少部分颗粒脱离叶轮后能直接从蜗壳出口流出,大部分颗粒撞击蜗壳壁面,留在蜗壳内转动数圈才能流出;颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对较小;粒径变化对固相的离析作用影响较大,粒径越大,颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面,固相的离析作用越明显;相同体积流量下,泵进出口总压差随颗粒浓度和粒径的增加而减小.     

平底筒仓中心卸料流态演化过程及仓壁压力波动性

卸料时的仓壁压力是筒仓结构设计的关键,仓内物料的流动状态(流态)是影响卸料压力分布的关键。为了探究物料流态的演化过程和发生机理以及由此引发的仓壁压力分布情况,该研究采用自主设计的半圆柱形有机玻璃筒仓模型进行筒仓中心卸料试验和离散元(discrete element method, DEM)模拟分析。筒仓壁嵌入定制压力计,贮料为平均粒径3.5 mm的陶球,在测量仓壁压力分布的同时实时观测贮料内部和外部的流动过程。通过标定颗粒追踪贮料运动轨迹。通过PFC^2D建立离散元数值模型,分析卸料过程中贮料的力链网络、速度矢量和孔隙率变化,探讨颗粒的运动机制和颗粒体系的传力方式。基于模型试验和数值模拟结果,根据颗粒物质力学、土力学和散体力学基本原理,从宏观和细观层面分析流态的演化过程和发生机理以及仓壁压力波动性规律,明确仓壁压力和流态的关系。结果表明：卸料瞬间(卸料率0～1%),强力链断裂导致孔隙率增大(由卸料前的0.150 43～0.200 30增至卸料瞬间的0.151 36～0.232 23),各测点仓壁压力骤增,P2测点(深度0.4 m)的增幅最大,达到1.94;卸料时贮料...     

泵内大颗粒固液两相流流动试验

为了研究泵内大粒径球形颗粒运动规律,该研究以一台单级单吸悬臂式离心泵作为研究对象,采用高速摄影试验测试的方法对大粒径球形颗粒在固液两相流泵内的运动轨迹、通过性能以及颗粒与隔舌的碰撞规律进行了研究。测试结果表明:不同粒径的球形颗粒在泵内的轨迹变化规律相似,在叶轮进口处均有向叶片背面运动的趋势,而在运动过程中又逐渐脱离叶片背面,向下一叶片工作面靠近;泵内不同粒径颗粒运动趋势基本相同,但相对运动轨迹长度有所改变;粒径为8 mm和10 mm时颗粒平均过泵时间相对于粒径为6 mm时分别下降了15.15%和11.03%。颗粒体积分数对泵内对颗粒运动轨迹的影响较小,不同体积分数下泵内颗粒的运动轨迹基本重合;体积分数为3%和5%时颗粒平均过泵时间相比体积分数1%时分别上升了4.38%和3.21%。颗粒体积分数为1%、3%和5%时,颗粒与隔舌的碰撞的概率分别为0.5%,0.69%和0.9%;颗粒粒径为6 mm,8 mm和10 mm时颗粒与隔舌发生碰撞的概率分别为0.69%,0.63%和0.55%。研究结果可为运输大颗粒两相流泵的结构设计和防磨损研究提供参考。     

三种泥沙扩散系数模型对双吸离心泵内固液两相流流场计算的影响

作为模拟双吸离心泵内固液两相流的一种常用方法,欧拉-欧拉法中的泥沙扩散系数常通过多种模型进行计算。为选择适宜的泥沙扩散系数模型进而提高固液两相流数值计算的精度,该研究采用3种常见泥沙扩散系数模型Non-diffusion coefficient model（NON-DC）;Diffusion-in-volume of fluid model（Diffusion-in-VOF）;Diffusion coefficient affected by particle diameter and particle concentration model （DC-PDPC）,在25、100和200 μm 3种含沙粒径和不同流量(0.6和1.0倍额定流量)条件下,对双吸离心泵内固液两相流场进行数值模拟,分析其对泵内固相浓度和固相速度的定常和非定常结果的影响。结果表明：1）当颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型计算得到的双吸离心泵内固液两相流的固相浓度和速度定常结果基本相同;当颗粒粒径大于100 μm时,定常结果有所差异,随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达60%。2）在不同颗粒粒径的条件下,采用3种模型得到的固液两相流场的固相浓度和速度非定常结果差异较大,且随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达30%。含沙颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型得到的定常结果基本相同;而大于100 μm时,定常结果差异较大;同样地,在不同含沙粒径条件下的非定常计算结果也差异较大,需要选择合适的泥沙扩散系数模型。3）定常计算时,当颗粒粒径不大于100 μm时,推荐NON-DC模型;随着颗粒粒径的增大,推荐使用DC-PDPC模型;当非定常计算时,推荐使用DC-PDPC模型。研究为准确地进行离心泵内固液两相流数值计算提供参考。     

结构化流道环境下不同颗粒浓度的磨粒群分布及其动力学特性

结构化表面流道内,由于流体相的驱动作用,磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞,从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。该文基于液-固两相流体耦合理论,利用欧拉-欧拉多相流模型中的mixture模型和Realizablek-ε湍流模型对V型纹理半环形截面流道内液-固两相流在不同颗粒浓度下运行时的壁面湍流效应进行了数值模拟,计算了流场中湍流速度及湍动性能等参数。模拟结果表明:V型纹理的流道有利于涡流的产生,因此可以通过配置V型纹理的约束模块来提高湍流的紊乱程度;随着颗粒浓度的增大,在一定范围内磨粒流的速度逐渐增大,磨粒流的湍动能逐渐减小,磨粒体积分数的波动振幅越来越小;颗粒浓度的选择应适当,不同的颗粒浓度可以产生不同的磨粒流综合性能和颗粒分布效果。     

片状迷宫滴头中悬浮颗粒浓度分布规律数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小,水源过滤后仍含有悬浮颗粒,研究悬浮颗粒在滴头内分布的影响因素对于滴头结构改进有重要意义。该文根据两相流理论,利用计算流体动力学软件FLUENT对迷宫滴头进行了液固两相流数值分析。采用标准k-ε湍流模型及多相流Eulerian模型,模拟得到不同入流颗粒浓度及大小时滴头内流场及颗粒浓度分布,分析了颗粒大小及入流浓度对悬浮颗粒浓度分布的影响。研究结果表明：滴头的进口、缓水区及流道拐弯区、迎水区等局部悬浮颗粒浓度增大,齿尖附近浓度接近入口浓度。除齿尖及流道背水区外,其他部位的颗粒浓度均随粒径的增大而升高;滴头内颗粒浓度分布随入流浓度的升高而升高,不同位置处浓度变化规律略有不同。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

叶片前缘磨损形貌特征对风力机翼型气动性能的影响

根据实际风电场中风力机叶片前缘磨损在不同阶段的形貌特征,通过对DU 96-W-180风力机翼型前缘进行改型,建立几何模型,结合SST k-ω湍流模型求解RANS方程,分析了翼型的升力、阻力及流场特性,研究了风力机翼型前缘磨损形貌特征对其气动性能的影响。结果表明,前缘磨损特征为砂眼和小坑时,对翼型的升、阻力系数影响较小;而前缘磨损特征为脱层时,对翼型的升阻特性影响显著,尤其随着攻角增加,升力系数大幅减小,阻力系数急剧增大,并且随着磨损的加剧,减小和增加的幅度逐渐增大。前缘磨损加剧了翼型吸力面尾缘附近的流动分离,使分离点前移;砂眼和小坑对气流在翼型前缘的流动影响较小;脱层对翼型前缘附近流动影响很大,导致翼型表面出现台阶流,气流绕过台阶先发生分离,然后再次附着翼型表面流动。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

侵蚀泥沙颗粒特征研究进展

侵蚀泥沙颗粒对深入理解和模拟泥沙及与之有关的化学污染物质输移至关重要。通过对国内外相关研究归纳整理、总结经验,重点围绕土壤水蚀的2个主要过程(细沟间和细沟侵蚀),对侵蚀泥沙颗粒输移形式、各级未分散颗粒的机械组成、不同粒径颗粒的富集规律和分选特征以及影响因素等进行综述与评价。纵观国内外的研究进展,侵蚀泥沙颗粒流失规律的研究已经较为全面和深入,取得了一些共识性成果:(1)未分散状态下的泥沙颗粒粒径分布更适合用来描述、模拟泥沙的输移行为和与之相关的营养污染物质迁移;(2)侵蚀泥沙粒径分布主要受降雨和径流能量的限制,能量小时,径流优先输移细颗粒,泥沙以细颗粒的富集为主;随着能量的逐渐增大,泥沙逐渐变粗;当能量足够大而产生细沟的时候,泥沙粒径分布趋向于接近原土;(3)团聚性好的土壤,其侵蚀泥沙粒径较团聚性差的土壤粗。     

沙粒形状对风力机翼型磨损特性及临界颗粒Stokes数的影响

风力机不可避免地运行在风沙环境下,风沙对风力机叶片的磨损将造成机组的气动性能下降和发电量降低。研究风沙对风力机翼型的冲蚀磨损特性时,通常将沙尘颗粒简化为球形颗粒,忽略了实际非球形颗粒的影响,相关研究表明颗粒形状对材料的冲蚀磨损率有一定的影响,该文以NACA 0012翼型直叶段为对象,研究沙尘颗粒形状对风力机翼型的磨损特性、气动性能及其临界颗粒Stokes数的影响规律。通过对风沙环境下NACA 0012翼型直叶段的流场进行数值模拟,研究了4种不同形状(颗粒形状因子分别为0.671、0.75、0.846和1)颗粒情况下,风力机翼型的磨损特性随颗粒体积当量直径的变化规律,以及颗粒形状对翼型开始发生磨损时临界颗粒Stokes数范围的影响规律。结果表明:来流风速为14.6 m/s、攻角为6°时,4种颗粒形状下翼型的最大磨损率均随颗粒体积当量直径的增大先增大后减小然后再增大,颗粒直径达到80μm为翼型最大磨损率的转折点;同一颗粒体积当量直径时,球形颗粒比非球形颗粒对翼型的冲蚀磨损程度小;颗粒形状对翼型升力系数和升阻比的影响很小;4种颗粒形状情况下,翼型表面的磨损区域均随颗粒体积当量直径的增大逐渐从翼型的前缘附近沿翼型压力面向尾缘扩展,并且翼型磨损最严重区域出现在前缘附近;颗粒形状会影响翼型开始发生磨损的临界颗粒Stokes数范围,颗粒形状因子越小,翼型开始发生磨损的临界颗粒Stokes数越大,Stokes数可以作为判断翼型表面是否发生磨损的依据。研究结果可为风力机叶片的防风沙磨损设计提供参考。     

脉动气流喷雾干燥的数值模拟

利用CFD模型对脉动气流喷雾干燥过程进行了数值模拟，得到了干燥过程中干燥室气体流场和颗粒运动轨迹、气体局部湿度和温度变化及不同初始直径颗粒在干燥室内干燥情况的详细信息， 解决了由于难以动态测量上述参数而不能清楚了解该干燥过程的难题。模拟结果表明脉动气流喷雾干燥具有干燥时间短，蒸发速度大等特点。     

CFD-DEM耦合模拟网式过滤器局部堵塞

过滤器内部的流场不均导致使用时容易产生局部堵塞,堵塞分布受入口流速、颗粒粒径、流线轨迹等因素的共同影响。该文以计算流体力学-离散元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)耦合模拟不同流量下Y型网式过滤器内部不同粒径的沙粒运动及分布,分析过滤器内部流态对沙粒运动分布的影响并通过试验加以证明。结果表明,滤网两侧的压差占总压差的77%。网面流量呈阶梯分布,最大流量位于出口侧滤网上端,最低流量位于进口侧滤网中心,前者是后者的5.9倍;对于通过滤网的颗粒,入口流速越高,颗粒通过点越集中;对于拦截颗粒,当粒径接近孔径时,颗粒稳定附着在滤网,增加入口流速使颗粒向侧面滤网聚积并产生局部堵塞,粒径远大于孔径时,颗粒在内腔中不停运动,难以稳定附着在滤网;降低入口流速将提高颗粒分布的均匀程度,延长过滤器高效段时间,减少冲洗难度。     

轻密度颗粒在搅拌槽内悬浮特性的数值模拟

轻密度颗粒在搅拌槽内的悬浮特性是其在工业应用中非常关键的问题。该文采用多重参考系（multiple reference frame,MRF）法和以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型,对轻密度颗粒在双层圆盘涡轮桨搅拌槽内的悬浮特性进行数值模拟,得到了槽内的宏观流动场和固含率分布等,采用文献试验数据对模拟结果进行了验证。结果表明：总体上轻密度颗粒固含率分布沿轴向高度增大而增大,并存在分区现象,在液面中心处颗粒浓度最高,颗粒易在此处堆积,而在槽底中心处则固含率最低。在循环涡涡心和桨叶后部,颗粒浓度相对较高。轻密度颗粒的加入使搅拌槽内液相速度略有降低。搅拌转速增加或颗粒粒径减小有利于颗粒的均匀悬浮,颗粒含量的变化对固液悬浮的均匀性影响不大。该研究可为轻密度颗粒悬浮搅拌反应釜设计、优化和放大等提供参考。     

湿沙的风蚀起动风速实验研究

在土壤风蚀研究中 ,Bagnold建立的干沙子的起动风速与沙粒粒径关系的表达式已被广泛接受。然而 ,沙子含水率是影响沙粒起动风速的重要因子 ,因为沙子在湿润状态下 ,水分子与沙粒颗粒之间的拉张力增加了颗粒间的内聚力。通过风洞模拟实验研究了各种粒径的沙子在湿润状态下的起动风速。实验结果表明 ,湿沙的起动摩阻速度与干沙的起动摩阻速度之比——相对起动摩阻速度能更好地反映沙子含水率对起动风速的影响。建立了湿沙子的起动风速与沙粒粒径和沙子含水率的关系式     

生物膜和土壤矿物对人工纳米颗粒在饱和多孔介质传输的影响

本文探究了人工纳米颗粒(NPs)在饱和多孔介质中的传输规律和影响机制，重点阐明生物膜和土壤矿物对纳米颗粒传输的影响及其机制。结果表明，在干净的石英砂介质中，不同种类和粒径NPs的传输效率具有明显差异，不同种类NPs传输效率表现为ZnO> CeO2>Fe2O3；对于报告粒径在20～100 nm之间的CeO2 NPs，粒径的增加有助于其在多孔介质的传输。溶液离子强度的增大会降低Zn O NPs的传输，而NPs浓度的增大不利于其在饱和多孔介质的传输，传统的DLVO理论能够很好地解释NPs在无涂层饱和多孔介质中的传输。生物膜和土壤矿物均能抑制纳米颗粒在饱和多孔介质的传输，其主要通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响纳米颗粒的传输，非DLVO相互作用以及介质涂层的表面特性对增强纳米颗粒沉积有很大贡献。     

上层土壤厚度对模拟指流水分运动的影响

“上细下粗”的层状土壤中有可能产生指流,在有指流产生条件下,上层土壤的厚度是影响指流发展特征的主要因素之一。该试验通过在下层砂中模拟指流来研究上层土壤厚度对层状土壤中水分运动的影响。结果表明：指流域内的湿润锋到达一定深度的时间随着上层土壤厚度的增大而增加;稳定入渗率随着上层土壤厚度的增大而减小;并得出稳渗率和上层土的厚度呈线性关系;分别用经验函数模型和连续函数模型来模拟层状结构土壤水分的入渗,发现2种模型有各自的优缺点：经验函数模型虽然计算得到的整体误差较小,但在理论上不能很好的解释层状土壤水分入渗过程;连续函数模型相比较经验函数模型的缺点在试验初期误差较大,但该模型属于连续函数模型,符合实际的层状水分入渗过程。