糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬

1、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬姓名：趙會永申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計及理論指導(dǎo)教師：塔娜20090601摘要在糧食顆粒氣力輸送中，通過研究糧食顆粒的流場分布，得到懸浮速度，對于降低糧食顆粒氣力輸送中的動力消耗，提高輸送的連續(xù)性和穩(wěn)定性有重要意義。從流體力學(xué)湍流理論以及顆粒動力學(xué)理論出發(fā)，考慮氣固兩相的相互影響、顆粒與顆粒之間以及顆粒與輸送管壁之間的相互作用，采用計算流體力學(xué)軟件建立二維氣固兩相湍動雙流體模型。對垂直管內(nèi)的氣固兩相流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得顆粒濃度及氣流流場的分布規(guī)律。通過與試驗結(jié)果比較，表明模擬計算結(jié)果的氣流速度與試驗結(jié)果基本吻合。在本模型的

2、基礎(chǔ)上，對影響流場的參數(shù)（輸送氣流速度、顆粒粒徑、管徑）進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，輸送氣流速度越大，顆粒運動越激烈，顆粒運動形式為中心處向上、近壁面處向下的內(nèi)循環(huán)流動結(jié)構(gòu)：達(dá)到穩(wěn)定輸送時，顆粒粒徑越小，懸浮速度越大；管徑越大，懸浮速度越大。糧食顆粒流動特性的研究，為糧食氣力輸送機(jī)械的設(shè)計、優(yōu)化提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：氣固兩相流；雙流體模型；流動特性：數(shù)值模擬一），）；九，、）】）（），。），；，；？，。：，；角，；：？：（）（）：）插圖和附表清單圖試驗裝置簡圖圖測試系統(tǒng)流程圖互童已吼圖軸向測點分布圖圖徑向測點分布圖圖不同加載量的壓降軸向分布不同顆粒的壓降軸向分布圖不同風(fēng)速的壓降軸向分布圖圖不同

3、風(fēng)速的壓降徑向分布圖不同高度的壓降徑向分布加挖塢巧埔墻圖結(jié)構(gòu)簡圖圖幾何模型圖圖圖求解器多相流模型圖湍流模型圖材料屬性圖基本相設(shè)置圖操作條件圖入口邊界條件圖均加殂毖船孔筋弱出口邊界條件殘差監(jiān)視圖圖控制方程圖圖顆粒濃度分布圖圖軸向速度圖不同風(fēng)速的速度矢量圖圖不同管徑的速度矢量圖圖不同粒徑的速度矢量圖表試驗材料的物理特性表徑向測點分布表模型中的系數(shù)表試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果比較表（速度）內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)聲明本人申明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包括其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括為獲得我校

4、或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料，與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。論文作者簽名：蒸羔公箍日期：迦：么：塵導(dǎo)師指導(dǎo)研究生學(xué)位論文的承諾本人承諾：我的研究生蒸冬金基所呈交的學(xué)位論文是在我指導(dǎo)下獨立開展研究工作及取得的研究結(jié)果，屬于我現(xiàn)任崗位職務(wù)工作的結(jié)果，并嚴(yán)格按照國家及學(xué)校有關(guān)學(xué)術(shù)道德規(guī)范的規(guī)定要求而獲得的研究結(jié)果。如果違反，我必須接受按國家及學(xué)校有關(guān)規(guī)定的處罰處理并承擔(dān)相應(yīng)導(dǎo)師連帶責(zé)任。指導(dǎo)教師簽名：日期：絲羅：受！內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)

5、保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，且導(dǎo)師為通訊作者，通訊作者單位亦署名為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱。學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容（保密內(nèi)容除外），采用影印、縮印或其他手段保存論文。論文作者簽名：日墊金基指導(dǎo)教師簽名：期：洫弘厶乒內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文引言據(jù)中國國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，年全年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，糧食實現(xiàn)連續(xù)五年增產(chǎn)。全年糧食總產(chǎn)量達(dá)到萬噸，比上年增產(chǎn)萬噸，增長，連續(xù)年增產(chǎn)。糧食產(chǎn)量

6、的大幅增長有效解決了我國的糧食問題，但同時突出了糧食流通領(lǐng)域的一些問題。實現(xiàn)糧食“四散”（即糧食的散裝、散運、散卸、散存）流通技術(shù)，可以解決我國糧食流通中存在的一些突出問題，推進(jìn)我國糧食物流的現(xiàn)代化。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分之一是糧食流通領(lǐng)域的現(xiàn)代化，而糧食“四散”流通技術(shù)是實現(xiàn)糧食物流現(xiàn)代化的關(guān)鍵方法和技術(shù)。因此適合我國國情的散裝瞳及散卸專用配套設(shè)施的實現(xiàn)可以盡快且有效的解決糧食流通中的散運問題。相關(guān)研究表明，輸送的氣流速度是影響糧食氣力輸送能耗的最主要因素。輸送氣流速度越大，提升物料的壓力損失就越高，從而能耗越高；同時，較高的氣流速度也會造成輸料管的磨損和物料的破碎。但是氣流速度過低時，糧

7、食的輸送出現(xiàn)輸料管掉料、堵塞現(xiàn)象，而且輸送會變得不穩(wěn)定。氣流速度與能耗呈平方關(guān)系，氣流速度的增加引起能耗的迅速增加。在生產(chǎn)實踐中，選擇合理的輸送氣流速度成為氣力輸送過程中的重點和難點。氣力輸送設(shè)備的廣泛應(yīng)用，已在我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有十分重要的地位。目前氣力輸送技術(shù)已朝著氣流斜槽輸送、柱塞流靜壓輸送、高壓吸送等方向發(fā)展。隨著氣力輸送設(shè)備的廣泛使用，也促成了氣力輸送理論的產(chǎn)生和發(fā)展，而氣力輸送理論研究，則又是以氣固兩相顆粒動力學(xué)和流體動力學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)。但由于氣力輸送設(shè)備本身具有噪聲大、磨損大、動力消耗大等缺點，也限制了它的進(jìn)一步的應(yīng)用。為了避免和克服這些不足，在流體力學(xué)中兩相流被作為一門

8、已有高度發(fā)展的分支學(xué)科來研究。隨著計算機(jī)的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)在多相流中的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，研究人員對這類反應(yīng)器中多相流動過程己經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗和模型化研究。計算流體力學(xué)模型基于流場中質(zhì)量、動量和能量守恒規(guī)律，建立反映氣固兩相流動的基本流體力學(xué)方程組，加上與具體過程相關(guān)的反應(yīng)過程，最終構(gòu)成對整個反應(yīng)器的理論描述。經(jīng)過試驗檢驗的計算流體力學(xué)模型，有利于對反應(yīng)器更詳細(xì)的了解，進(jìn)而指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計、優(yōu)化操作和放大。早在十九世紀(jì)，氣力輸送提供了原始的理論基礎(chǔ)。前人采用歐拉坐標(biāo)和拉格朗日坐標(biāo)，提出了氣固兩相流流動狀態(tài)的公式和方程。進(jìn)入二十世紀(jì)中葉以來，隨著顆粒動力學(xué)和流體動力學(xué)的出現(xiàn)和快速發(fā)

9、展，又產(chǎn)生了多種基于湍流動能方程、能量守恒方程、動量守恒方程、連續(xù)性方程等守恒定律。這些方程是用以更精確描述氣固兩相流流動狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。在計算流體力學(xué)和計算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)后，氣力輸送理論的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀氣力輸送技術(shù)是一項綜合技術(shù)學(xué)科，涉及流體力學(xué)、材料科學(xué)、自動化技術(shù)、制造技術(shù)等領(lǐng)域，屬高新技術(shù)項目。其廣泛應(yīng)用于鑄造、電力、石油、化工、冶金、建材、。糧食等部門，是一種適合于散粒狀物料輸送的先進(jìn)的運輸設(shè)備。氣力輸送是全封閉型管道輸送系統(tǒng)、布置靈活、無二次污染、高效節(jié)能、便于物料輸送和回收、為無泄漏輸送、氣力輸送系統(tǒng)以強(qiáng)大的優(yōu)勢，將取代傳統(tǒng)的各種

10、機(jī)械輸送。氣固兩相流的普遍性和復(fù)雜性使它成為一門前沿科學(xué)。國內(nèi)外的氣固兩相流的相關(guān)計算和研究工作較多，其中有化學(xué)反應(yīng)堆研究、流化床技術(shù)船、氣固兩相流風(fēng)機(jī)設(shè)計和氣力輸送佰等，氣固兩相流在工農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但人們對氣固兩相流運動規(guī)律的認(rèn)識仍處于不成熟階段。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在顆粒流動的研究方面得到廣泛地應(yīng)用，目前所采用的方法主要分為兩種：一種是連續(xù)介質(zhì)模型，另一種是非連續(xù)介質(zhì)模型。國外研究現(xiàn)狀國外眾多科學(xué)家對于顆粒流動特性的研究相對較早，他們在試驗測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析，有的還考慮了流動中顆粒的旋轉(zhuǎn)、碰撞等問題，取得了較大成就。等陽、等睜用顆粒動力學(xué)雙流體模型對循環(huán)流化床提升管內(nèi)

11、的兩相流動進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，得到了固體體積分?jǐn)?shù)分布、顆粒速度、濃度的徑向分布。等町采用同樣的模型對二維流化床進(jìn)行了模擬，得到了固體分?jǐn)?shù)沿床層變化、氣泡長大等詳細(xì)信息，其預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果相符。等幻用模型和離散單元法對大顆粒流化床的氣泡行為進(jìn)行了模擬，模擬所得到的氣泡形成、長大、運動及在床層表面的破碎等情況與試驗結(jié)果定性地一致。長期以來，用軌道模型研究流體一固體兩相流動主要集中在假定顆粒間無相互碰撞的稀相流動方面。在稠密顆粒流體一固體兩相流中，顆粒間、顆粒與管壁間的相互作用不能忽視。口和鍆討論了顆粒間碰撞的機(jī)理及其重要性。和根據(jù)局部分布而推導(dǎo)出的碰撞概率引入了假設(shè)環(huán)境粒子的串行軌道跟蹤法來模擬

12、研究水平管內(nèi)非稀相流中顆粒間的碰撞。但應(yīng)用得較多的還是矛叼提出的黏接一滑移碰撞模型，由沖量來計算碰撞后顆粒的速度。¨刀等對氣相采用七一雙方程模型，并對顆粒相采用描述顆粒間相互作用的硬球碰撞模型，模擬了流化床內(nèi)氣泡的長大、聚并、破碎等現(xiàn)象。用同樣的模型對水平管中的氣固兩相流動特性進(jìn)行了研究，得到了兩相在管中的平均速度分布規(guī)律。等¨”對氣相采用改進(jìn)的氐數(shù)七一模型，考慮顆粒間的碰撞，用雙向耦合真實地模擬了循環(huán)流化床上升管中氣固兩相流動的過程。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的散料顆粒學(xué)及氣力輸送技術(shù)的研究起步較晚，年代在中科院化冶所郭慕孫院士的倡議下，我國成立了“中國顆

13、粒學(xué)會”，我國從此開始研究散料顆粒學(xué)及氣力輸送技術(shù)。西安交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、大連理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院化冶所、清華大學(xué)等單位在散料顆粒學(xué)及氣力輸送技術(shù)方面作了大量的工作啪一明。謝灼利等研究了顆粒粒徑和密度對懸浮顆粒的濃度分布的影響心。主要論述對氣體相湍動能采用修正的方程模型，建立了水平氣力輸送的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的計算方法。陸慧林等泓用理論預(yù)測得到循環(huán)流化床內(nèi)的“環(huán)一核”流動結(jié)構(gòu)，速度的模擬計算結(jié)果和顆粒相濃度與試驗結(jié)果基本吻合。其方法是采用氣固兩相流動模型，運用氣相湍流模型和顆粒湍流模型，模擬計算管內(nèi)氣固兩相流動。李曉光等對影響顆粒運動無規(guī)則性的主要因素進(jìn)行了分析幢舶。主要研究在密相大顆粒流

14、化床氣固兩相流的數(shù)值模擬中，借助數(shù)值模擬手段，將氣相當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，顆粒相作為離散體系通過提取不同操作條件下大顆粒流化床內(nèi)顆粒受力的瞬間信息。自世紀(jì)年代中期以來，周力行等心研究了湍流兩相燃燒的雙流體模型。雙流體模型的優(yōu)點是易于給出三維空間顆粒的速度、濃度和溫度分布，可以用統(tǒng)一的數(shù)值方法求解氣固兩相方程組，處理顆粒進(jìn)入和離開回流區(qū)沒有困難。為了解決用雙流體模型模擬顆粒反應(yīng)經(jīng)歷的問題，周力行等衛(wèi)提出了湍流兩相燃燒的雙流體一軌道模型（或顆粒相的連續(xù)介質(zhì)一軌道模型，（，）和全雙流體模型（）。兩者都用同樣的氣相歐拉方程組、顆粒相歐拉連續(xù)方程和動量方程，包括同樣的兩相湍流模型。在用雙流體一軌道模型模擬多相湍

15、流反應(yīng)流動時，周力行等妲提出了氣相歐拉和顆粒的歐拉一拉氏（）模型算法，稱為算法。在這個算法中，除了氣相內(nèi)部的迭代之外，還有氣相歐拉計算一顆粒歐拉計算一顆粒拉氏計算三者之間的相互藕合和相互迭代。存在問題分析糧食顆粒的流動特性分析屬于氣固兩相流問題。多年來，針對氣固流化系統(tǒng)的基本現(xiàn)象，圍繞著了解顆粒流體系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，許多研究者開展了大量的研究工作。但由于顆粒流體兩相流的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得沒有統(tǒng)一的理論或模型能對其流動特性進(jìn)行完全的描述。實際的顆粒流問題看似簡單，但許多機(jī)理問題至今還不清楚。顆粒材料范圍很廣，物理性質(zhì)差別較大，運動方式不同，其機(jī)理也各不相同，雖然對氣力輸送的研究取得了很大的進(jìn)展，但是研

16、究氣力輸送的基礎(chǔ)理論等很多方面時，常常會遇到下面這些問題：（）氣力輸送過程是一個非常復(fù)雜的物理過程，管內(nèi)流場會受到許多不確定性糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬因素的干擾和影響，管內(nèi)流場分布需進(jìn)一步研究。同時，因為其中許多狀態(tài)量之間存在極為繁瑣的非線性關(guān)系，所以目前整個氣力輸送過程的完整運動狀態(tài)還無法用一個數(shù)學(xué)上解析的模型來描述和實現(xiàn)。（）國內(nèi)外眾多學(xué)者就氣固兩相流建立起了許多數(shù)學(xué)模型，并將這些模型應(yīng)用于輸送對象十分廣泛的氣力輸送中，但是就具有一定的局限性。尤其是對其流動狀態(tài)醮大量研究表明這些模型大都是對應(yīng)于直徑在微米級，或更小范圍內(nèi)的顆粒所建立的。因此有必要對直徑在微米級或更大范圍的顆粒迸

17、一步研究。選題意義及研究署的氣力輸送技術(shù)是符合現(xiàn)代物料輸送和物流工程要求的輸送方式之一，與其他機(jī)械輸送方式螺旋式、刮板式、如斗式輸送相比具有許多獨特的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單，管路布置靈活方便，造價低，能保證良好的工作環(huán)境，連續(xù)性好，易于實現(xiàn)自動化等，因此在工農(nóng)業(yè)許多部門得到廣泛使目，然而糧食氣力輸送還存在著一些制約其進(jìn)一步推廣及應(yīng)用的因素，其中最主要的因素是動力消耗大。長期以來人們已在氣力輸送領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，但仍有許多問題沒有得到很好解決。從應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面來看，氣力輸送是一個復(fù)雜的多相流動過程，輸送管道內(nèi)糧食顆粒，動狀態(tài)既有懸浮又有滾動，同時還發(fā)生糧食顆粒與壁面、糧食顆粒之間的碰撞，糧食顆粒

18、的旋轉(zhuǎn)還產(chǎn)生舉力，完全考慮這些問題是相當(dāng)復(fù)雜的。氣力輸送越來越多地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，同時作為各種散裝物料的一種連續(xù)輸送方式，在整個物料輸運中占有很大的比重。對輸送風(fēng)速、不同物種、風(fēng)壓相互關(guān)系以及管道壓力損失未能進(jìn)行深入研究，以至無法合理確定氣力輸送的主要參數(shù)。為了有效的控制糧食顆粒氣力輸送系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)要求而得到適當(dāng)?shù)脑O(shè)計參數(shù)并制定合理的輸送工藝是十分必要的。因此，在糧食顆粒氣力輸送中，研究糧食顆粒的流動特性，了解流場分布，得到其懸浮速度，對于降低糧食顆粒氣力輸送中的動力消耗，提高輸送的連續(xù)性和穩(wěn)定性有重要意義。研究糧食顆粒的流動特性，不僅可為氣力輸送裝置的設(shè)計和糧食顆粒加工過程中干燥提供參

19、考依據(jù)；而且，有助于糧食顆粒加工、儲存、運輸設(shè)備向精密化、自動化、大型化的方向發(fā)展，所以有必要對糧食顆粒流動特性進(jìn)行深入的研究。課題研究內(nèi)容本文以試驗為基礎(chǔ)，對垂直管道中糧食顆粒的流動特性進(jìn)行研究，利用。軟件對垂直管道中糧食顆粒的流動特性進(jìn)行模擬。試驗和數(shù)值模擬相輔相成，成為研究氣固兩相流動的重要手段。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文試驗研究的主要內(nèi)容（）測量所研究物料的物理性質(zhì)。包括糧食顆粒的散粒體密度、千粒重、真密度，以及測量單顆粒的三軸尺寸用以計算顆粒的體積當(dāng)量直徑。（）通過試驗來研究不同加載量、不同風(fēng)速、不同物料的情況下，壓降在軸向分布，分析得出一般的變化規(guī)律；研究不同風(fēng)速、不同截面的情況下

20、，壓降的徑向分布，分析得出般的變化規(guī)律。數(shù)值模擬研究的主要內(nèi)容隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬研究得到了廣泛的應(yīng)用，為研究者帶來了極大的方便。本文將在的平臺上，選擇歐拉雙流體模型，對垂直管內(nèi)的糧食顆粒進(jìn)行簡單的氣固兩相流動模擬試驗，通過模擬試驗來研究管內(nèi)氣固兩相的流動規(guī)律及流場特性，其主要內(nèi)容：（）建立以雙流體模型為基礎(chǔ)，運用軟件氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。試驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，確定模型的準(zhǔn)確性。（）分析不同參數(shù)對糧食顆粒流動特性的影響。兩相流和軟件的介紹兩相流兩相流是兩相物質(zhì)（至少一相為流體）所組成的流動系統(tǒng)。若流動系統(tǒng)中物質(zhì)的相態(tài)多于兩個，則稱為多相流。兩相或多相流是化工生產(chǎn)中為完成相與相傳質(zhì)

21、和反應(yīng)過程所涉及的最普遍的粘性流體流動。自然界和其他工程領(lǐng)域中兩相流也廣泛存在，如雨、雪、云、霧的飄流，生物體中的血液循環(huán)，水利工程中的泥沙運動和高速摻氣水流，環(huán)境工程中煙塵對空氣的污染等。兩相流的流動形態(tài)有多種。除了同單相流動那樣區(qū)分為層流和湍流外，還可以依據(jù)兩相相對含量（常稱為相比）、相界面的分布特性、運動速度、流場幾何條件（管內(nèi)、多孔板上、沿壁面等）劃分流動形態(tài)。對于管內(nèi)氣液或固系統(tǒng)，隨兩相速度的變化，可產(chǎn)生氣泡流、塞狀流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流等形態(tài)；對于多孔板上氣液系可以產(chǎn)生自由分散的氣泡、蜂窩狀泡沫、活動泡沫、噴霧等形態(tài)。兩相流研究的一個基本課題是判斷流動形態(tài)及其相

22、互轉(zhuǎn)變，流動形態(tài)不同，則熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的機(jī)理和影響因素也不同。兩相流研究的另一個基本課題，是關(guān)于分散相在連續(xù)相中的運動規(guī)律及其對傳遞和反應(yīng)過程的影響。當(dāng)分散相液滴或氣泡時，有很多特點。例如液滴和氣泡在運動中會變形，在液滴或氣泡內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流，界面上有波動，表面張力梯度會造成復(fù)雜的表面運動等。這些都會影響傳質(zhì)通量，進(jìn)而影響設(shè)備的性能。兩相流研究的課題，還有兩相流系統(tǒng)的摩擦阻力，系統(tǒng)的振蕩和穩(wěn)定性等。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬兩相流的實驗研究，是掌握兩相流規(guī)律的基本方法。目前廣泛應(yīng)用光學(xué)法（包括光吸收、散射、干涉、折射等），其他輻射吸收和散射法，示蹤法，以及電容和電導(dǎo)法等測定兩相流中的重

23、要參數(shù)，如壓力、空隙率、平均膜厚、液滴直徑、運動速度等。在某種意義上說，對兩相流規(guī)律更深入的了解，有賴于實驗技術(shù)的進(jìn)步。試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬是當(dāng)前研究流體運動規(guī)律的三種基本方法。試驗研究以試驗為研究手段，耗費巨大；理論分析是利用簡單流動模型假設(shè)，給出某些問題的解析解，但對于復(fù)雜的非線性流動現(xiàn)象目前還有些無能為力。數(shù)值模擬以計算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值計算方法，通過計算機(jī)求解流體流動的數(shù)學(xué)方程，對具體問題進(jìn)行數(shù)值求解，己經(jīng)成為研究流體流動的一個重要研究方向和方法。這方面，已經(jīng)開發(fā)出了計算準(zhǔn)確、界面友好、使用簡單叉能解決問題的大型商業(yè)軟件，目前比較著名的有，等。本課題將借助于常用的計算流體

24、力學(xué)軟件一來進(jìn)行多種工況的數(shù)值模擬試驗，以此來研究各種因素對糧食顆粒流動特性的影響規(guī)律。軟件簡介年，美國的流體技術(shù)服務(wù)公司公司的軟件部（￥公司的前身），推出了第一個商用軟件包。自軟件面世以來，以其豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法及技術(shù)人員高質(zhì)量的技術(shù)支持和服務(wù)，軟件很快成為市場的領(lǐng)先者。年公司正式成立。年，公司并入了在數(shù)字和能源電子等領(lǐng)域具有主導(dǎo)地位的公司。的軟件設(shè)計基于軟件群的思想，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，在特定的領(lǐng)域內(nèi)使穩(wěn)定性、精度和計算速度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題。基于上述思想開發(fā)了適用于各個領(lǐng)域的

25、流動模擬軟件，軟件之間采用了統(tǒng)一的共同的圖形界面及網(wǎng)格生成技術(shù)，這些軟件能夠模擬傳熱傳質(zhì)、流體流動、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象。由于應(yīng)用的工業(yè)背景不同使各軟件之間有所區(qū)別因此大大方便了用戶。軟件是計算流體力學(xué)（）軟件的簡稱，是專門用來進(jìn)行流場預(yù)測、流場計算、流場分析的軟件。的使用方法是：首先建立裝置的計算模型：然后將流體流動的物理特性應(yīng)用到虛擬的計算模型；最后軟件將輸出流體動力特性。是一種高級的分析技術(shù)軟件，它不僅可以預(yù)測流體的行為，同時還可以得到相變（如凝固和沸騰）、化學(xué)反應(yīng)（如燃燒）、機(jī)械運動（渦輪機(jī)）、傳質(zhì)（如分離和溶解）、傳熱，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形（如風(fēng)中桅桿的彎曲）和壓力等的性質(zhì)。內(nèi)

26、蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文試驗方法與數(shù)據(jù)處理試驗裝置圖試驗裝置簡圖本研究采用的試驗裝置如圖所示。氣流經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入垂直管道，糧食顆粒由加料裝置倒入，氣流作用到顆粒床層產(chǎn)生氣固兩相流，對糧食顆粒流動特性進(jìn)行信號采集，空氣排入大氣，糧食顆粒由回收器收回。以的風(fēng)機(jī)作為風(fēng)力源，電動機(jī)型號（）。布風(fēng)板的設(shè)計、安裝有助于更真實、準(zhǔn)確的認(rèn)識管道中顆粒的流動特性。布風(fēng)板使作用在顆粒上的氣流均勻穩(wěn)定，它放置在風(fēng)機(jī)出口處，與管道相連，可有效改善氣流在管道徑向的均勻性，濾除輸入管道中氣流自身所攜帶的波動。為了使風(fēng)機(jī)的振動不會影響到所研究顆粒的流動，風(fēng)機(jī)和管道使用帆布連接，帆布連接是一種柔式連接方式，它可將風(fēng)機(jī)的振動與管

27、道相隔離，通過帆布連接還可以防止接口處氣流的泄漏。為了使承載糧食顆粒的物料網(wǎng)有較高的強(qiáng)度和剛度，在顆粒放置較多或風(fēng)速較大時不會產(chǎn)生明顯變形，選用了鋼絲網(wǎng)（目）作為物料網(wǎng)，物料網(wǎng)夾置在法蘭之間，安裝時用法蘭將其夾緊。為避免顆粒從管口頂部飛出，。在管道的頂端安裝了擋料裝置。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬管徑的選擇工程上輸送流體的管道，大多為圓管，設(shè)圓管的內(nèi)徑為，則管道的截面積為（）：（除特別指明之外，均指內(nèi)徑），流速為：“七口蒯二式中：一一管道內(nèi)徑，：流體體積流量，：流體在管道內(nèi)的流速，；拈、匿：糕叫等。（）根據(jù)流量和流速，可用式（）算得管道內(nèi)徑，其中流量通常是為生產(chǎn)任務(wù)所決定，所以關(guān)鍵在于

28、選擇合適的流速。由式（）可知，當(dāng)流量一定時，流速越大，管徑越小，設(shè)備費用可減小，但此時流體流速相應(yīng)增大，其在管道中流動阻力也越大，使操作費用（動力消耗）增加。反之，流速減小，阻力降低，操作費用減少，但管徑增大，設(shè)備費用增加。設(shè)計管道時，尤其是輸送距離較長時，需要綜合考慮這兩個相互矛盾的因素，確定適宜的流速，使操作費用與設(shè)備費用之和為最低。在管徑的選擇時，先根據(jù)情況選定流速，再經(jīng)式（）算出后，從而選用標(biāo)準(zhǔn)管的規(guī)格。本試驗管徑取為來逆行試驗。試驗介質(zhì)氣體：空氣，取室溫。，空氣的密度為運動粘度為一顆粒：大豆、黑豆、綠豆，顆粒物理特性參數(shù)如表所示。表試驗材料的物理特性，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文當(dāng)量直

29、徑的測量對綠豆、大豆、黑豆進(jìn)行隨機(jī)取樣，對每一百粒用電子天平稱其重量、稱十組得其千粒重。并隨機(jī)在每一百粒中取十粒用游標(biāo)卡尺測量其三個垂直方向的尺寸長（）、寬（）、厚（），通常；每一種糧食顆粒測量組（即粒）。體積當(dāng)量直徑是指如物體體積與某個球體的體積相等，則這個球體的直徑就稱為該物體的體積當(dāng)量直徑。將糧食顆?？醋鳈E球形計算其體積，則：竺（）體積當(dāng)量直徑：拓瓦密度的測量（）糧食顆粒在貯存、加工、輸送、流動等過程中，它的流動性、摩擦特性、貯存特性都與密度有密切關(guān)系。因此，密度是物料的一個重要物理量，在很多研究過程中都與其有關(guān)。由于研究的對象和研究過程的不同，表示密度的方法也不同：（）研究單個顆粒時，

30、其密度可由其質(zhì)量和占有的體積之比求得，稱為顆粒密度。（）研究散粒體群體時，用其所占的容積以及其質(zhì)量，計算出的密度稱為散粒體密度。（）真密度，：顆粒或散粒體的質(zhì)量除以其固體部分的體積。（）表觀密度。：顆?；蛏⒘ｓw的質(zhì)量除以除去表面開口，縫隙后固體部分的體積。（）有效密度。：顆?；蛏⒘ｓw的質(zhì)量除以包括表面開，縫隙和內(nèi)部空洞后固體部分的體積。顯然，真密度表觀密度有效密度。散粒體密度的測量：采用的環(huán)刀量取顆粒，然后用電子天平稱其重量，多次測量取平均值（本試驗中測量次），即可得物料的散粒體密度。真密度的測量：采用浸液法測量物料的真密度，首先在量程為的量筒中加入約的水，讀取水的精確體積。：然后，稱取的顆粒

31、物料，將其倒入量筒中，再次讀取量筒中液面處的刻度：，則：一，即為物料的體積。重復(fù)上述操作，多次測量取平均值，通過計算便可得出顆粒物料的真密度。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬試驗儀器（）直徑為的型皮托管（公司，）：（）微電腦數(shù)字壓力計（壓力范圍：卜，分辯率：預(yù)熱時間：）測靜壓和風(fēng)速；、（）微差壓變送器（公司系列，量程：一）：（）數(shù)據(jù)采集卡（，分辨率位，多通道采樣頻率）。（）熱球式風(fēng)速儀（量程：）由以上儀器構(gòu)成測試系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖所示：通過型皮托管（公司，）獲取壓力波動信號，由數(shù)據(jù)采集平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、記錄。圈測試系統(tǒng)流程圖舄試驗的測量點分布垂直管軸向測點分布圖軸向測點分布圖內(nèi)蒙古農(nóng)

32、業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文在管壁高度上布測個點，原則上布測點越多越精確，但布測點太多，可能會使玻璃破裂或造成裂紋，而且管道漏風(fēng)更多導(dǎo)致誤差增大。因此，考慮有機(jī)玻璃管的強(qiáng)度及試驗精度根據(jù)實際情況，以物料網(wǎng)為參考面，布置個測量點（，）。布測點的高度分別為，單位為米（如圖所示）。截面測量選擇原理及測點分布由于管道內(nèi)壁附近附面層的形成和風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致管中風(fēng)速的分布的不均勻。應(yīng)用在工程實踐中測量平均風(fēng)速的方法來布置測量點。對于圓形管道，通常采用等環(huán)面積法（中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。這就是將圓形斷面分成個面積相等的同心圓環(huán)，再將每個圓環(huán)分為兩個面積相等的部分，測點就放在這兩部分的分界線上。測點所在圓中的半

33、徑分別為，乃，則根據(jù)等面積劃分的原則可求得：罷吲，例怯一：生，。一，陲（，叢：立，：型一（）其中：一垂直管道半徑，卜一圓環(huán)圈數(shù)：一分割圓環(huán)數(shù)；一第測量點所在的同心環(huán)中心圓半徑。根據(jù)以上方法，確定本試驗垂直管某截面的測點，將截面分成個等面積的環(huán)形，取為從而計算得到測點的位置如圖所示和表所示，表數(shù)據(jù)的負(fù)值代表方向，負(fù)值說明在零點左側(cè)。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬圖徑向測點分布圖表徑向測點分布表（續(xù)）徑向測點分布試驗結(jié)果與分析軸向壓力分布（）試驗顆粒：綠豆，風(fēng)速：，加載量分別為，、軸向壓力分布如圖所示。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文一一生量醛避床層商度【）圖不同加載量的壓降軸向分布通過圖可以看出

34、當(dāng)把風(fēng)速固定在，在同一高度，壓降是隨加載量的增大而增大的。分析原因，風(fēng)速固定，加載量增加，顆粒被流化的幾率就增加，曳力就增加，所以壓降也增加。無論何種加載量，壓降都隨高度的增加而減小。由于主直管下半部分顆粒濃度比較大，上半部分濃度逐漸減小，壓降也減小。壓降在下半部分變化率劇烈，而在下半部分則較平緩。（）試驗顆粒：綠豆，加載量：，風(fēng)速分別為、。軸向測試結(jié)果如圖所示。床層高度（圖不同風(fēng)速的壓降軸向分布由圖可知，當(dāng)加載量不變，風(fēng)速從增加到勺過程中，同一高度截面上的壓降是增加的，而增加到過程壓降反而減小。原因是隨著風(fēng)速增加流化床處于由鼓泡流態(tài)化向湍流流態(tài)化轉(zhuǎn)變過程中，流化的顆粒量增加，同一截面糧食顆粒

35、流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬上的顆粒重量增加，所托起顆粒的曳力也加增加，壓降就會增加。風(fēng)速增大到時，流化床轉(zhuǎn)化為快速流態(tài)化，顆粒的速度也會增加，顆粒變稀濃度變小，所托起的顆粒曳力也減小，所以壓降也減小。無論何種風(fēng)速，壓降都隨高度的增加而減小。顆粒在垂直管下半部分壓降變化率劇烈，上半部分比較平緩。（）將大豆，黑豆，綠豆分別為在同一風(fēng)速（）下軸向壓降分布測試的結(jié)果如圖所示。床層高度（）圖不同顆粒的壓隆軸向分布：通過圖可知，壓降都隨著床層高度的增大而減小。在同一截面上，顆粒密度越大，壓降也增加。在同樣加載量下，在較小氣流速度下，密度越大，其顆粒數(shù)密度越低，因此顆粒與壁面、顆粒與氣體及顆粒之間的摩擦減

36、弱，從而消耗的能量越低，導(dǎo)致壓降降低。在較大氣流速度（）下，壓降增加的原因可能是顆粒重力引起壓降的顯著增大，顆粒密度越大，其慣性越大。粒徑增加，壓降減小。在懸浮輸送情況下，對同樣加載量的情況下，顆粒粒徑減小，顆粒數(shù)密度將增加，因此顆粒與氣體相互作用強(qiáng)烈，消耗能量增多，壓降自然增大：顆粒粒徑減小，顆粒數(shù)密度增大，顆粒與壁面之間以及顆粒之間的相互作用隨之增大，從而引起阻力增加。徑向壓力分布徑向測試點由等面積同心圓環(huán)法（中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）選取，垂直管半徑，測量。，測點與管徑之比為徑向相對距離。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文顆粒：綠豆，加載量：，截面：高度處，風(fēng)速分別為，。徑向測試結(jié)果如圖所示。

37、顆粒：綠豆，加載量：，在同一風(fēng)速（）、不同高度徑向測試的結(jié)果如圖所示蹙向唁對琵盈限營；甸糟對距高限圖不同風(fēng)速的壓降徑向分布圖不同高度的壓降徑向分布在不同的風(fēng)速下，顆粒在垂直管某一高度截面（）徑向分布如圖所示，管中心壓降略高于管壁處，風(fēng)機(jī)出口氣體風(fēng)速并不均勻，經(jīng)整流裝置改善了氣流分布。由于在壁面處顆粒濃度較小，壁面與顆粒的相互摩擦作用下，近壁面位置處運動的顆粒被減速，故在垂直管壁面附近，對顆粒的加速作用非常弱，顆粒不能被充分地帶走。在管中心處顆粒濃度較大，氣體能量主要用于顆粒的加速和輸送，其它方面的能量損耗很少，所以管中心處壓降高于管壁處。如圖所示，不同高度截面的壓降徑向分布規(guī)律也是如此，管中心

38、處壓降高于管壁面處。糧食顆粒流動特性的數(shù)值模擬及分析兩相流模擬假設(shè)由于氣固兩相體系流動的復(fù)雜性，需要對兩相進(jìn)行一些合理假設(shè)。本文基本假設(shè)為：（）管內(nèi)溫度為常溫，且恒定不變：（）氣、固兩相均連續(xù)，氣相為牛頓流體，兩相均有確定的物理特性參數(shù)；（）糧食顆粒由相同尺寸組成；（）流場內(nèi)氣固兩相各占據(jù)不同的體積，氣體相、顆粒相有自己占據(jù)的體積；（）僅考慮顆粒在流場中所受的阻力和重力。糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬由以上假定，根據(jù)牛頓第二定律和守恒定律，可以得到氣力輸送過程中氣固兩相流動的守恒方程。建立幾何模型數(shù)值計算幾何模型根據(jù)現(xiàn)實中的試驗設(shè)備尺寸進(jìn)行合理的簡化建立。糧食顆粒流動特性試驗的結(jié)構(gòu)簡圖如

39、圖所示。垂直管中的氣力懸浮輸送，因氣體速度一般較高，曳力方向與重力方向平行，氣體以及顆粒的運動在切向和徑向方向上不受重力的影響，所以可以將其簡化為二維來處理，認(rèn)為切向速度為零。數(shù)值計算的流場幾何模型如圖所示。壓辦出口壁面速度凡口風(fēng)圖結(jié)構(gòu)簡圖圖”幾何模型網(wǎng)格劃分利用前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格是求解控制方程的基本單元，網(wǎng)格的形狀及劃分直接影響最終的求解結(jié)果。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格節(jié)點排列有序、鄰點間的關(guān)系明確，具有正交性，適用于具有規(guī)則幾何外形的計算區(qū)域。由于幾何外形相對簡單，而且流動和幾何外形很符合（長管），可以使用大比率的四邊形單元。這種網(wǎng)格可能會比三角形網(wǎng)格少很多單元。幾何外形不是很復(fù)雜時，四邊形網(wǎng)格

40、可能會實現(xiàn)流動和網(wǎng)格成一條線。只有在簡內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文單的流動（長管流動中），才可以使用四邊形網(wǎng)格來減少數(shù)值耗散，而且在這種情況下使用四邊形有很多優(yōu)點，因為與三角形網(wǎng)格相比可以用更少的單元得到更好的解。因此采用結(jié)構(gòu)化四邊形（長方形或正方形）網(wǎng)格。一般來說，對于同一差分格式，計算精度越高需要的網(wǎng)格越密。但是，網(wǎng)格越密計算量就越大，因此需要在計算精度內(nèi)臺理的細(xì)化網(wǎng)格。非均勻分布的網(wǎng)格體系無論從資源占用情況還是從計算結(jié)果來看都要優(yōu)于均勻分布的網(wǎng)格體系。但是還沒有一個通用的法則可以說明相鄰網(wǎng)格百之間最大（最小）比值究竟應(yīng)該保持多大。一般在工程計算上，在所求解的變量變化比較劇烈的地區(qū)網(wǎng)格分布應(yīng)該稠密一些。本課題對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在下部由于顆粒相的存在網(wǎng)格劃分比較周密，而在上部和出口處網(wǎng)格劃分比較稀疏。讀入網(wǎng)格及網(wǎng)格檢查（）讀入網(wǎng)格（術(shù)）（）檢查網(wǎng)格在中對模型首先進(jìn)行網(wǎng)格檢查，這一步的目的是為了保證不會出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，保證了網(wǎng)格體積為正值時，才可以進(jìn)行下一步。以下為網(wǎng)格的檢查結(jié)果。：（）：（），（）（）（）（）：（）：（）：一（）：糧食顆粒流動特性的試驗研究與數(shù)值模擬掣血，