基于CFD-DEM的机采鲜叶管道集叶过程数值模拟研究

为揭示乘坐式采茶机的集叶管道内部气流特性,利用计算流体力学（CFD）和离散单元法（DEM）对管道内气固两相流动进行数值模拟。通过多球面聚合法建立机采鲜叶数值计算模型,在分析鲜叶颗粒运动规律基础上,分别对其不同进口风速、鲜叶颗粒尺寸、弯管结构进行模拟分析。研究结果表明,数值模型可预测集叶管道的集叶效果以及最佳风速;在最佳进口风速范围内,鲜叶颗粒越大,管道内的剩余颗粒越多,容易产生沉积;鲜叶颗粒流在穿过竖直管道到弯管时形成一束弯管流曲线,且弯管结构对鲜叶颗粒运动有一定影响,流场平均速度呈先降低后升高的变化规律。选用一个弯管半径为0.04m圆角弯管作为集叶弯管结构,同时减少横向管道长度,选择内侧长度为0.03m竖直管,避免鲜叶颗粒由重力作用导致的沉积,保证集叶顺畅性。数学模型仿真与试验结果表明：减少横直管长度,采用圆角弯管与适合的竖直管长度的集叶管道,穿透率不小于86.8%,满足集叶要求。本文提出的鲜叶颗粒建模方法,用于集叶管道与鲜叶流相互作用的离散元仿真分析及管道结构优化。该研究可为集叶管道其他工作参数优化提供参考。     

油麦兼用气送式集排器输种管道气固两相流仿真与试验

为研究种子在油麦兼用气送式集排器输种管道中的迁移规律,运用EDEM-CFD耦合仿真方法分析了输种管道直径、长度、横纵管道长度比(k)和接头形式对种子运动特性和气流场的影响;台架试验研究了输种管道结构对排种性能的影响。结果表明:种子在输种管道中受力与速度主要沿管道轴线方向,与气流速度相同,种子迁移的动力主要源自流体阻力。管道出口处种子速度随k增加呈先降后升的趋势,输种管道结构显著影响各行平均排种量和各行排量一致性变异系数。当输种管道直径、长度和k分别为42 mm、1.0 m和2/3时,管道出口处种子速度、两相流相对速度和压强损失较小,排种性能较优。接头为弯管的输种管道出口处种子速度明显高于接头为折线形管道,两相流相对速度表现为弯管低于折线形接头;弯管半径100 mm的输种管道气流场和种子分布均匀,压强损失较小。供种装置转速为10~40 r/min时,排种油菜、小麦时各行排量一致性变异系数分别低于4.0%和5.0%,总排量稳定性变异系数和种子破损率分别低于1.0%和0.1%。     

基于Mixture模型的叶片式抛送装置内气固两相流模拟

为了揭示叶片式抛送装置抛送物料时内部气流和物料复杂的流动特性以优化设计和指导运用,应用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对抛送装置内气固两相流动进行了数值模拟,并将计算结果与抛送装置内物料运动的高速摄像试验结果进行了比较,物料速度的模拟值和高速摄像实测值基本吻合。在分析了物料运动规律基础上,对其叶片数、进料速度以及物料体积浓度的不同变化作了对比模拟。研究结果表明：数值模型可预测叶片式抛送装置的输送性能以及最佳喂入量;4叶片较3和5叶片更有利于抛送;进料速度对物料在叶轮区的体积分布规律影响较大,在最佳喂入量范围内,进料速度越大,出口处物料浓度越大,抛离速度也越大,装置输送性能越好;超过此范围时,随进料速度增大,进料口处物料浓度增大而出口处物料浓度减小,装置极易堵塞;进料口物料体积浓度的变化只影响抛送叶轮内以及圆形外壳出口区域的物料体积浓度,而对其物料速度分布规律及速度大小影响不大。该研究可为叶片式抛送装置工作参数优化提供参考。     

贯流式谷物清选装置气固两相流数值模拟与试验

为解决现有谷物风选装置存在的流场不均匀、宽度受限等问题,该文设计了一种以贯流风机作为风源的贯流式谷物清选装置。基于气相K-ε湍流模型和颗粒离散相模型,对清选室内气固两相流特征进行数值模拟计算。通过建立气相数学模型和边界条件模拟气体流动,同时利用双向耦合拉格朗日法追踪颗粒,得到了气相速度分布和颗粒相的运动轨迹。计算结果表明清选室内的气流场存在一定的水平分层现象,具体表现为靠近清选室上下壁板附近流速低、中部流速高,但在层内流场分布平稳,没有明显涡流产生,而且谷物中不同组分颗粒在清选室内的运动轨迹有很大差异。最后,在自制的贯流式谷物清选试验台上采用高速摄像技术拍摄了谷物在清选室内的运动轨迹,验证了数值模拟结果,表明该贯流式清选装置可有效分离脱出谷物的不同成分。     

基于含煤粉的煤层气管道管流数值模拟与分析

煤层气开发过程中,微细的颗粒随气流进入集输管网。颗粒的存在使管流形成气固两相流动,影响管路特性。采用模拟软件针对直管段及水平弯管进行气固两相流数值模拟,对管道系统的特性、操作条件和物料性质等影响气固两相流压力损失的主要因素进行了探讨,对连续相速度和压力分布特性以及颗粒运动轨迹进行了分析,得到气固两相流动的压力场、速度场分布,颗粒在管内的分布情况和运动轨迹,以及不同工况条件下的系统阻力和颗粒沉积分布规律,并结合煤层气现场含尘情况进行了数值模拟分析,结果表明：煤层气管道管流属于低浓度气固两相流,与纯气相单相流相比,颗粒弓J起的单位管长压降增幅低于2％。（图7,表1,参12）     

CFD-DEM方法研究下降管结构对颗粒流动的影响

为了明确不同下降管结构内陶瓷球和生物质颗粒的流动规律,对比研究了方形和圆形下降管对颗粒轴向速度、颗粒碰撞率和生物质停留时间的影响,同时考察了管径对颗粒轴向速度和生物质停留时间的影响。搭建了CFD-DEM耦合框架,并利用粒子图像测速技术对模拟进行了速度验证。试验结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好;混合颗粒在圆管中的时均轴向速度高于方管,圆管中陶瓷球的最大轴向速度比方管大10%左右;不同管径大小下降管中的颗粒轴向速度差异主要体现在下降管的转弯处,管径60、70和80mm下降管转弯处的陶瓷球速度依次损失了37%、40%、45%左右,生物质的速度依次损失了49%、52%、54%左右;方管中生物质与壁面的接触碰撞频率更高,圆管中生物质与陶瓷球的接触碰撞频率更高,两种管中分别约为23%和39%的生物质颗粒与陶瓷球接触;陶瓷球的加入后方管和圆管中的生物质停留时间分布离散程度分别增加了10%和17%。研究结果为下降管热解装置中的颗粒流动状态分析及结构设计和优化提供了依据。     

数值模拟受抑尘导流板影响的自由下落散料流流场特性

指出了属于气固两相流的自由下落散料流在降落点常产生大量粉尘,虽然高能耗通风除尘系统采用高扬程风机抽吸含尘空气,但依然有大量粉尘向周围散射,污染工作环境。研究设想在散料流与下部接收装置上安装可调倾斜角度抑尘导流板,人为控制由于散料流与接收设备发生碰撞所产生大量粉尘的散射方向,提高通风除尘系统吸尘口对吸收散射粉尘的效率,达到节能减排目的。通过数值模拟方法,采用计算流体软件模拟粉尘的运动轨迹及速度场,探索了物理参数和环境参数对除尘效果的影响,进而得到了导流板除尘的最优方案。     

管式气流干燥系统应用于淀粉干燥的数值模拟研究

淀粉干燥是淀粉生产过程中的一个关键工序,弄清干燥过程中湿物料的传热传质过程对生产效率的提高至关重要,现选用管式气流干燥器作为淀粉物料的干燥设备,对其中的U形等径干燥管进行研究,用Flu-ent软件对干燥管内的气固两相流动进行了数值模拟,通过对管内气固两相流中各流场的分析,阐述了干燥过程中湿物料的传热传质过程及机理,并探讨了各参数对管内气固两相间传热效果的影响。     

荷电气固两相流动凝并特性试验

采用传统除尘设备很难有效清除亚微米粉尘,而静电凝并是净化亚微米粉尘的有效方法.设计了一种静电凝并试验装置,以电厂飞灰为实验粉尘,对其荷电性能及凝并沉积性能进行了试验研究.飞灰粉尘直径在0.5-10μm之间,绝大多数在2-10μm之间.试验结果表明：荷电颗粒的荷质比随荷电电压值的升高呈现非线性方式增长,粉尘颗粒更容易荷负电;凝并沉积效率随风速的增大及浓度的减小而增加,随荷电电压绝对值的升高而增加;在双极非对称荷电组合电压＋25 kV/-23 kV时具有最高的凝并沉积效率.荷电后粉尘的粒径分布情况表明,在荷电段出口处,10μm以上颗粒的粒径频率分布有了明显的增加.     

气送式水稻施肥机输肥装置气固两相流仿真分析

通过计算流体动力学和离散元法耦合的方法对气送式水稻施肥机的气体肥料混合腔进行气固耦合数值研究。在数值模型中,使用EDEM软件模拟肥料颗粒,ANSYS Fluent软件描述气体相。通过研究混合腔喉部面积、喉部长度、气体入口压力和肥料排出速率的影响,分析气体和肥料的运动规律。模拟结果表明,2型喉管的气体肥料混合腔断面性能良好,喉部压力损失较小,气流速度最快。喉部面积和气流入口压力主要影响气流出口速度和混合腔轴向方向的肥料颗粒速度,肥料颗粒的移动受混合腔喉部长度和肥料进料速率的影响较小。喉部截面积的增加导致气流速度和压力损失在一定范围内下降。随着气流入口压力的增加,肥料所受合力和肥料颗粒速度均增加,适宜的气流入口压力为450~550Pa。结果表明,CFD-EDM耦合方法作为理解气流场中肥料颗粒运动规律的分析工具是可靠的,基于CFD-EDM耦合方法的肥料颗粒运动的数值模拟可为水稻侧深施肥装置的开发提供理论依据。该研究得到的优化后气体肥料混合腔结构参数及气动参数,对现有气送式水稻施肥机输肥装置的优化改进具有指导意义。