流化床中的CFDDEM耦合模擬課件

1、流化床中的CFD-DEM耦合模擬流化床的基本概念當(dāng)通過床層的流體流量較小時(shí)，顆粒受到的升力（浮力與曳力之和）小于顆粒自身重力時(shí)，顆粒在床層內(nèi)靜止不動，流體由顆粒之間的空隙通過。此時(shí)床層稱為固定床。 隨著流體流量增加，顆粒受到的曳力也隨著增大。若顆粒受到的升力恰好等于自身重量時(shí)，顆粒受力處于平衡狀態(tài)，故顆粒將在床層內(nèi)作上下、左右、前后的激烈運(yùn)動，這種現(xiàn)象被稱為固體的流態(tài)化，整個(gè)床層稱為流化床。一、流化床簡介流態(tài)化現(xiàn)象：使固體微粒通過與氣體或液體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作。固體顆粒層與流體接觸的不同類型：流體流速增加固定床初始流態(tài)化散式流態(tài)化聚式流態(tài)化騰涌稀相流態(tài)化液體氣體一、流化床簡介一、流

2、化床簡介一、流化床簡介二、CFD-DEM耦合思路流化床中的流動是氣固兩相流，而且是稠密氣固兩相流。用數(shù)值手段探查其特征的方法很多，這里介紹一種：CFD-DEM方法。DEM（Discrete Element Method），離散單元法基本原理是，將研究對象劃分為一個(gè)個(gè)相對獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動定律，采用動態(tài)松弛法或靜態(tài)松弛法等迭代方法進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，確定在每一個(gè)時(shí)間步長所有單元的受理及位移，并更新所有單元的位置，通過對每個(gè)單元的圍觀運(yùn)動進(jìn)行跟蹤計(jì)算，即可得到整個(gè)研究對象的宏觀運(yùn)動規(guī)律。氣相運(yùn)動的計(jì)算釆用歐拉方法在計(jì)算網(wǎng)格單元尺度上進(jìn)行求解（CFD方法）；固相運(yùn)動則采用離散

3、單元法（DEM方法）在顆粒尺度進(jìn)行跟蹤，即拉格朗日法。二、CFD-DEM耦合思路二、CFD-DEM流化床計(jì)算案例三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型顆粒相運(yùn)動方程指的是顆粒速度，指的是顆粒質(zhì)量，指的是顆粒慣性矩為流體作用于當(dāng)前運(yùn)動顆粒的曳力為顆粒所受到流體作用力的壓力梯度力為顆粒i與顆粒j之間的接觸作用力；顆粒和壁面接觸時(shí)，將壁面視為一個(gè)具有無限大直徑的靜止顆粒，以此來計(jì)算兩者之間的作用力和力矩。指的是顆粒角速度為顆粒i與顆粒j之間的接觸產(chǎn)生的力矩三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型顆粒相運(yùn)動方程流體作用于當(dāng)前運(yùn)動顆粒的曳力為曳力系數(shù)為顆粒體積為當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)流體速度矢量為顆粒的速度矢量為當(dāng)前計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的固相濃度為空

4、隙率顆粒切割法，即按照一定的數(shù)值算法將單個(gè)顆粒分為許多個(gè)顆粒元，根據(jù)每個(gè)顆粒元的位置探測其所在的計(jì)算網(wǎng)格，得到該顆粒在該網(wǎng)格內(nèi)的體積份額，以此來計(jì)算整個(gè)流場網(wǎng)格內(nèi)的空隙率。假定在計(jì)算過程中將單個(gè)顆粒分割為個(gè)部分，分別根據(jù)每個(gè)部分的質(zhì)心得到其所在計(jì)算網(wǎng)格。對計(jì)算網(wǎng)格，其內(nèi)的空隙率計(jì)算為： 為顆粒在當(dāng)前計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)所有顆粒元的體積之和，n為該網(wǎng)格內(nèi)含有的顆粒數(shù)。三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型顆粒相運(yùn)動方程為當(dāng)前流體網(wǎng)格的體積三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型顆粒相運(yùn)動方程流體壓力梯度引起的流體作用力顆粒i與顆粒j之間的接觸作用力軟球模型三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型顆粒相能量方程接觸導(dǎo)熱：對流換熱：三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型埋管磨損模型E為顆粒的質(zhì)量為壁面維氏硬度為顆粒的速度引入考慮了顆粒與壁面之間的角度因素的影響為作用角度三、CFD-DEM數(shù)學(xué)模型氣相運(yùn)動方程四、計(jì)算模型及邊界條件四、計(jì)算模型及邊界條件床體底部采用均勻速度入口，而其出口則釆用壓力出口邊界條件。對管壁和左右壁面，則采用無滑移壁面邊界條件來進(jìn)行計(jì)算。對溫度邊界條件的設(shè)定，入流氣體溫度設(shè)定為293K，埋管壁面溫度固定為373K，其余邊界條件則設(shè)定為Neumann邊界條件。在計(jì)算過程中，對固相和氣相運(yùn)動的時(shí)間步分別設(shè)定為1X10-7s和1X10-5s。對在不同流化風(fēng)速下進(jìn)行的每個(gè)