PDF《数值模拟》

江苏省颗粒学会2010年学术年会 暨江苏省应用化学、生物颗粒学及粉体领域学术研讨会 EDEM与Fluent耦合在垂直管道内气力输送过程的 数值模拟 卢洲,刘雪东'

,潘兵 (常州大学机械工程学院,江苏常州213016) 摘妥:采用离散单元法软件EDEM和计算流体力学软件Fluent耦合模拟垂直管道内垂直向 上的气力输送过程.

利用离散单元法处理气力输送过程的的离散相即颗粒相,利用有限体积 法处理连续相即气相.模拟结果显示,此种方法可以更详细的模拟输送过程的细节,特别是 颗粒的具体运动行为和输送过程中的碰撞受力过程. 关键词:气力输送离散单元法有限体积法数值模拟 1引言 气力输送系统在大量的工业过程中得到了广泛的应用,研究人员对气力输送 系统进行了大量的实验研究和数值模拟研究.由于传统的实验研究和理论研究本 身的局限性,加上计算机的普及和算法的不断发展,数值模拟在气力输送系统的 设计中作用越来越明显.数值模拟可以得到气力输送过程的流动细节,对气力输 送过程有了更详细的了解,从而实现预报真实过程的各种细节,比如流场、浓度 场等的分布,进而指导气力输送装置的设计、优化. 对于气力输送中的气固两相流动,按对离散相(即颗粒相)的处理方式不同, 目前主要有两种数值模拟方法:Lagrange方法和Euler方法.在Lagrange方法中, 将颗粒视作离散体系,在Lagrange坐标系下考察离散颗粒相的运动,即所谓的 颗粒轨道模型.而在Euler方法中,将颗粒相视作与气相共同存在且相互渗透的 连续介质,在Euler坐标系下处理,即所谓的颗粒拟流体模型,也称作双流体模 型.尽管对颗粒相的流动现象采用lagrange方法和Euler方法两种不同的方法进 行描述,但都是将气相看作连续介质【21.无论采用哪种模型,目前大多都是基于 有限体积法(FVM)进行计算的. 2离散单元法和颗粒力学仿真软件EDEM 近年来,随着离散单元法(DEM)的不断发展,在处理离散相方面,离散 单元法有着其它算法无法比拟的优越性.离散单元法的基本思想是把不连续体分 离为刚性元素的集合,使各个刚性元素满足运动方程,用时步迭代的方法求解各 '

作者简介:刘雪东,男,1965年6月生,教授.江苏省常州市,213016(E-皿ail:[email protected]). 卢洲,男.硕士研究生,江苏省常州市.213016(E一阻i1:[email protected]). 江苏省颗粒学会2010年学术年会 暨江苏省应用化学、生物颗粒学及粉体领域学术研讨会 刚性元素的运动方程,继而求得不连续体的整体运动型态.该方法允许单元间的 相对运动,不一定要满足位移连续和变形协调条件,计算速度快,所需存储空间 /j,[41.有限元法、有限体积法等传统的数值方法适合于解决连续介质问题,而离 散单元法适合于界面弱连接的非连续介质问题或连续体到非连续体转化的材料 损伤破坏问题.因此若能将离散单元法与其它算法结合起来,使能充分发挥各自 特长,可以极大的扩大该数值方法的范畴. EDEM是英国DEM--Solutions公司开发的基于离散单元法模拟和分析颗粒 系统过程处理和生产操作的CAE软件.EDEM为粒子流的运动、动力、热量和 能量传递提供了解决途径,它能够与现有的其它CAE工具结合使用,快速简捷 地进行设计分析. EDEM可以和领先的CFD软件Fluent耦合,组成模拟固一液/气流的强有力 分析工具,这样的耦合模拟可以解释:颗粒群内接触的影响,包括颗粒尺寸的分 布、颗粒形状和机械性质、颗粒表面特征,如凝聚等颗粒对流体流动的影响、固 体填料的空间影响,更准确的热和质量传递模型颗粒与壁面相互作用的影响,复 杂几何体、壁面附着和热传递【4】.

3 EDEM与Fluent耦合模拟 本文采用EDEM与Fluent耦合方法,对垂直管道内垂直向上悬浮气力输送 进行数值模拟,探讨颗粒在气力输送过程中的运动行为. 3.1气力输送模型描述及边界条件设定 在初始风速为1.5m/s情况下对双组份垂直气力输送进行了数值模拟. 表1模型参数 参数 设置 管长L 管径D 管材名称 颗粒直径dp 颗粒密度P p 输送气流速度ut lm 32mm 玻璃 130p m(50%) 185p m(50%)

2400 Kg.m.3 1.5 m.S-l 利用Gambit建立模型,进行网格划分边界条件设定后,导入Fluent进行相 关参数设置,最后在EDEM中显示图示管道网格如图l所示.

149 ...凛繁鐾旒::主蒜黧... 图l EDEM中管道网格厦颗粒工厂 Fluent中使用速度入口,自由出口的边界条件进行计算,设定A rl风速为 l 5ngs. 3.2计算结果的后处理分析 3.2 1输送过程的速度分布 0S

0 055

0 1S

0 25 图2管道分别在不同时刻的状态 从上面的仿真中可以看出,颗粒从颗粒工厂产生之后,在气流的作用下作加 速运动,且加速很快,即加速段.随着时间变化进入缓慢加速区,大概在一半左 ..;

;

蹴婴藿恭i:盏黼篡... 右的位置进入恒速段. 在颗粒仿真中,还可以利用颜色设置(Coloring)于面板控制仿真模型的不同 颜色.比如在本例中可以设置颜色显示不同的体积,即对两组颗粒以显示.观察 两种颗粒在运动过程中的形式及分布情况.如图3所示. ∥ 图3不同组分颗粒显示及局部放大图 (红色为185p m.蓝色为130p m) 圈4不同颗鞋以矢量形式显示及局部放太图 (红色为185p m,蓝色为130p m) 利用颗粒显示模式设置还可以设置颗粒以矢量形式显示.以便于观察颗粒在 任一时刻的速度.图4显示在输送过程中两种的速度矢量形式. 3.2.2碰撞过程的力学特性 近年来,随着节能降耗、减少管壁磨损以及输送连续性、稳定性的要求.气 力输送向着低速密相气力输送技术的方向发展.其中对于气固两相流动流速与管 壁磨损关系的研宄是一个热点. 离散单元法在岩土计算力学方面能够处理非线性变形和破坏问题,还可以在 颗粒体模型基础上通过随机生成算法建立具有复杂几何结构的模型,模拟开裂、 分离等非连续现象.因此,在对于单个颗粒或者颗粒群的破碎方面模拟有着其它 方法无法比拟的优越性R 利用EDEM的后处理功能.可以方便的得到所有时间内的几何体上的合力 的曲线图. 如图5所示,可以得到任意时问段内几何体(管壁)上受到颗粒碰撞合力的 曲线圈,从曲线图上可以清楚看出几何体在任意时刻所受合力的太小,从而可以 从侧面反映颗粒的破碎磨损情况. 羹敷嚣 ....篇雾藿旒i:未i嘉黧... 《 *省&

月化学生物颓粒}&

#体领域$$研H告 滋潍鞴 图5几何体所受台力曲线国 4结论与展望 离散单元法的研宄和应用已经有40年的历史了.国内离散单元法软件的开 发还相对落后,虽然出现了一些基于土木工程设计的二维三维分析软件,但大多 是专业性很强的软件,在算法、前后处理系统、物态方程及材料数据库方面同有 限元法的泛用性商业软件还有很大的差距.EDEM是一款基于离散单元法可以仿 真、分析和观察粒子流的运动规律的商业软件. 本文只是利用EDEM和Fluent的耦合模拟了垂直气力输送的过程,从结果 来看可以得到其它算法无法得到的一些数据和结果.对于目前气力输送过程中急 需解决的物料破碎管道磨损等问题提供了一个很好的方法. 参考文献 [1]杨伦,谢一华气力输送工程[町北京:机械工业出版社.2006 [2]谢灼利密相悬浮气力输送过程及其数值模拟研宄[脚博士学位论文北京北京化工 大学,2001 [3]黎明用离散单元法对密相栓流气力输送的数值模拟研宄[D]硕士学位论文北京:北 京化工大学.2001 [4]王国强,郝万军,王继新离散单元法及其在印蹦上的实践[M]西安西北工业大学 出版杜,2010 [5]傅磊散料气力输送若干问题的研宄[D]博士后研宄报告上海:上海变通大 学.2003 江苏省颗粒学会2010年学术年会 暨江苏省应用化学、生物颗粒学及粉体领域学术研讨会 Numerical Simulation of a Vertical Pneumatic Conveying by EDEM Coupled with Fluent Lu Zhou,Liu Xuedong,Pan Bing (College of Mechanical Engineering of Changzhou University,Changzhou

2 1

30 1 6, China) Abstract:EDEM coupled with Fluent WaS used to simulate a vertical pneumatic conveying.In the simulation,the discrete phase is dealt with discrete element method(DEM)and the continual phaSe is dear with the finite volume method(FVM).The results of the simulation show that the coupling method call reveal much details of the conveyance process,especially about the particle movement bahavior and the collision behavior. Keywords:Pneumatic Conveying;

DEM;

FVM;

Numerical Simulation

153 EDEM与Fluent耦合在垂直管道内气力输送过程的数值模拟 作者: 卢洲, 刘雪东, 潘兵 作者单位: 常州大学机械工程学院,江苏 常州

213016 本文读者也读过(6条) 1. 康维民.肖念新.蔡金星.李军.石川N 稳定振动条件下梨的振动损伤研究[期刊论文]-农业机械学报2004,35(3) 2. 王振波.马艺.金有海.WANG Zhen-bo.MA Yi.JIN You-hai 导叶式旋流器内油滴运动迁移规律的数值模拟[期刊论 文]-高校化学工程学报2011,25(3) 3. 杨松华 螺旋离心泵管路内流的数值模拟研究[期刊论文]-机械工程师2006(10) 4. 潘兵.刘文明.刘雪东.卢洲 催化剂密相装填过程的离散元法模拟及实验研究[会议论文]-2010 5. 李晓娟.刘雪东.卢洲.潘兵.Li Xiaojuan.Liu Xuedong.Lu Zhou.Pan Bing 特定生产现场纳米粉体泄漏扩散的数 值模拟[期刊论文]-中国粉体技术2011,17(2) 6. 李少华.张轩.张立栋.余侃胜.郝万军.Li Shaohua.Zhang Xuan.Zhang Lidong.Yu Kansheng.Hao Wanjun 回转窑 内颗粒轴向混合运动的数值模拟[期刊论文]-中国粉体技术2011,17(2) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7410391.aspx ........