PDF《第34 卷第4期应用》

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.

51276199) 第一作者简介:靳少永,男,1993 年生,硕士研究生,中国石油大学(华东) ;

研究方向―气固两相流. 通讯作者:徐明海,教授,博导,Email:[email protected] 应用力学学报CHINESE JOURNAL OFAPPLIED MECHANICS 第34 卷第4期2017 年8月Vol.34 No.4 Aug.

2017 文章编号:16A0291820108 圆管内粗糙壁面处微细颗粒沉积规律研究 靳少永 徐明海 孙宪航 李会明 王政 (中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院 能源与动力工程系

266580 山东青岛) 摘要:针对固体颗粒在圆管中的沉积问题,本文采用 DEM(discrete-element method)方法描述颗 粒与壁面的碰撞特征, 采用湍流雷诺应力模型结合拉格朗日随机轨道模型对 0.01~50μm 的微细颗 粒在壁面的沉积特性进行了研究.考查了颗粒粒径,重力,壁面位置,Reynolds 数,有效表面能 和弹性模量对沉积速率的影响.结果表明,下壁面沉积速率最大,上壁面最小;

颗粒在下壁面的 沉积速率随无量纲弛豫时间呈 V 型变化曲线;

当空气平均流速为 0.5m/s 时,颗粒小于 1μm 即可 忽略重力的影响,并且随着空气流速的增大,需要考虑颗粒重力的临界直径逐渐增大;

颗粒的粘 附/反弹特征对沉积有很大影响. 关键词:DEM 方法;

颗粒沉积;

粗糙壁面;

气固两相流 中图分类号:O359 文献标志码: A

1 引言气固两相湍流流动现象在自然界和工程应用中 普遍存在,如锅炉中煤粉颗粒的燃烧、气力运输等 多个领域.气流中含有的大颗粒由于重力的作用, 容易从气体中分离出来,发生沉积,从而出现换热 器堵塞、换热效率降低等问题.因此,研究近壁面 处颗粒的沉积规律具有重要的工程指导意义. 在颗粒的沉积问题中,许多专家学者颗粒的碰 撞进行了大量的研究,主要包括纯算法模型,动力 学模型和动态模型三种[1~4] .其中,动态模型不仅能 描述颗粒的运动状态,还可以描述其微观结构的变 化和所受应力情况,因此在计算颗粒与壁面之间的 碰撞时,大多采用动态模型.在众多的动态模型[5~7] 中DEM 模型发展较为成熟并被广泛接受和应用. 其中, Chen 等人[8] 通过 DEM 方法对微小颗粒与壁面的 碰撞机理进行了研究,并提出了一种适用于 CFD 的 微小颗粒的碰撞模型,可以真实的反映出颗粒碰撞 的物理过程和受力情况.Wells 等人[9] 用过滤纸模拟 壁面粗糙度,指出颗粒在粗糙壁面上的沉积速率大 幅度增加.Tian 和Ahmadi[10] 采用不同的湍流模型对 管道内的颗粒沉积进行了拉格朗日模拟,结果与实 验值对比后指出雷诺应力模型(RSM)在预测颗粒 沉积中优于其他模型. 大多数学者都是用实验[11~12] 或者修正的方法研 究颗粒在粗糙管中的沉积问题, 并且将 DEM 方法应 用于粗糙壁面通道的文献较少,因此本文结合 DEM 方法研究颗粒在三维通道中粗糙壁面附近的沉积规 律.

2 物理模型 本文采用带有方形粗糙元的管壁近似代替粗糙 管壁,如图

1 所示. 图1带有方形粗糙元的圆管 Fig

1 A tube with square roughness elements 图1中的圆形通道直径 0.1m,长0.12m.粗糙 元长、宽均为 2mm,深1mm,规则排列,轴向方向 间距 6mm,圆周方向间距 6.28mm.考虑到物理模型 的对称性,取十分之一个周期的管道作为计算区域, 如图

2 所示. gravity 图2计算区域 Fig

2 Computational region