突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟
突扩突缩管内液-固冲蚀的数值模拟
突扩突缩管内液-固冲蚀的数值模拟
冯留海;王江云;毛羽;张歌;王娟
【期刊名称】《石油学报（石油加工）》
【年(卷),期】2014(000)006
【摘要】采用数值模拟的方法研究了突扩突缩管内的紊流及液‐固冲蚀过程。
计算得到的管内流场特征与实验数据吻合较好，验证了所采用的湍流模型和计算方法的准确性。
在流场模拟基础上，应用自定义函数（UDF ）的方式修正了计算流体力学软件（Fluent ）中的固有冲蚀模型，并重新模拟计算了突扩突缩管内的冲蚀过程。
结果表明，修正后的冲蚀模型计算得到的冲蚀速率与实验数据吻合较好，较为准确地预报了管内冲蚀过程，可以用于管道及设备冲蚀的工程预报。
【总页数】6页(P1080-1085)
【作者】冯留海;王江云;毛羽;张歌;王娟
【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学重质油国家重点实验室，北京 102249
【正文语种】中文
【中图分类】T980
【相关文献】
1.突扩突缩式内流消能工的数值模拟研究 [J], 张建民;许唯临;刘善均;王韦
2.小通道单相流体突扩和突缩局部阻力特性 [J], 李卓;俞坚;马重芳
3.CFD 软件在突扩、突缩流动现象可视化演示中的应用 [J], 栾一刚;孙涛;王志涛
4.突缩突扩式管道能量损失系数影响研究 [J], 冯娜;艾万政
5.突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟 [J], 李国美;王跃社;亢力强
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固液两相磨粒流研抛变口径管的数值模拟研究
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ２ ２ ）
ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｗａ ｓ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ．ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｏ ｒ ｋ ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ ｗａ ｓ ｅ ｎ ｈ ｎｃ ａ ｅ ｄ． ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ０ ｒ ｋ — ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ ｗａ ｓ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｄ ． Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｐ ｉ ｐ ｅ ；ａ ｂ ｒ ａ ｓ ｉ ｖ ｅ ｇ ｒ ａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ；ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
流抛 光变 口径 管零件 的加 工过程进行数值模拟研 究 ，分析 了不 同磨料 浓度和不 同入 口压 力条件 下 ，变口径管零件 内磨 粒流
的静 态压力 、动 态压 力、速 度 、湍流 强度 、湍流动 能 、湍流粘度 的分布情况 。通过 对比分析 ，研究分析 了磨粒流抛光 变 口 径 管零件 的有效性 ，可为促进 磨粒流超精 密加 工技 术的不断改善提供理 论依 据 ，使工件疲 劳强度得 到改善 ，增强 工件 的可 靠性 ，延 长工件 的使 用寿命 。
风沙运动的DPM数值模拟
风沙运动的DPM数值模拟
亢力强;郭烈锦
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2006(27)3
【摘要】采用离散颗粒模型对风沙气固两相流动进行了数值计算．在该模型中,采用体平均的Navier-Stokes方程来描述气相的运动,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,求解颗粒运动方程．采用硬球模型描述颗粒问碰撞作用．计算结果表明,沙粒平均水平速度廓线在0．02 m以上高度可以表示为按对数函数或幂函数规律增加,在0．02 m以下则发生偏离;在大于0．02 m的高度,输沙通量随高度按指数规律衰减,而在地面附近由于颗粒蠕移的影响发生偏离,这与已有文献结果一致。
本文的模拟有助于风沙运动规律的研究与掌握。
【总页数】4页(P441-444)
【关键词】离散颗粒模型(DPM);硬球模型;风沙运动
【作者】亢力强;郭烈锦
【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O359
【相关文献】
1.青藏铁路路基对风沙运动规律影响的数值模拟 [J], 孙兴林;张宇清;张举涛;秦树高;周金星
2.高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验 [J], 贾光普;左合君;王海兵;闫敏;姚云峰;韩雪莹;刘峰
3.突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟 [J], 李国美;王跃社;亢力强
4.风沙绕流运动对农业设施影响的数值模拟研究 [J], 刘博;黄新成;王旭峰;蒋建云;田建刚
5.风沙跃移轨迹的DPM数值模拟 [J], 蒋建云;刘博;王旭峰;熊英;黄新成
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固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究随着流体力学与工程技术的发展，固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究也受到了广泛关注。
本研究旨在通过研究固液两相流与颗粒流的运动规律，以及该运动规律在工程应用中的应用，为深入理解固液两相流与颗粒流的运动机理提供理论支持。
一、固液两相流的运动机理固液两相流是由两种或多种相（固相和液相）组成的复杂流体系统，例如水和悬浮颗粒等。
固液两相流的运动机理主要受制于固相和液相的物理和化学性质，其运动行为受到流体流动、物理和化学作用的影响。
因此，在尺度上的运动规律拥有较大的变化，而且与尺度有关。
在宏观尺度上，固液两相流的运动机理主要受流体流动作用的影响，它的运动受到流体的静力、动力学和热力学三个层次的影响。
它由流体的压力梯度、粘度分布和外力作用所决定，同时受到流体温度与湿度等气象条件的影响。
在微观尺度上，固液两相流的运动受到物理和化学作用的影响，其物理作用主要有流体的内部变形、内部磨擦、液-固相间的表面张力以及液-固相间的多种相互作用等；其化学作用主要有液-固相间的溶质运移、化学反应等物理-化学过程。
二、颗粒流的运动机理颗粒流是由种类多样的颗粒组成的流体，这些颗粒的大小形状不同。
颗粒流的运动机理也是复杂的，受制于流体流动、物理和化学作用等多种因素的影响。
颗粒流的运动机理以流体流动为基础，由颗粒间的碰撞和相互作用以及颗粒与流体的相互作用的复合作用决定。
颗粒流的运动主要受到流体的压力分布、粘度分布、内部流速分布以及外力和激励力的影响。
颗粒流微观运动机理主要受到流体内部变形作用、颗粒间碰撞作用、颗粒间表面张力作用及溶质运移作用等多种物理和化学作用的影响，同时还受到气象条件的影响。
三、固液两相流与颗粒流的工程应用固液两相流与颗粒流的工程应用在实际工程中广泛存在，被广泛应用于冶金、陶瓷、石油、医药、化工、环境等行业的技术中。
固液两相流在化工工业中的应用十分广泛，常见的有气体-液体混合物的解离技术，比如油水分离；在陶瓷工业中，利用固液两相流技术可以研制出优质、高性能的陶瓷材料；在冶金工业中，固液两相流技术可以有效地把铁与煤粉混合物分离，从而获得高品位的铁粉；在石油工业中，固液两相流技术可以用来净化石油中的杂质；在环境保护中，固液两相流技术可以有效地去除水中的有害物质等。
不同T型管汇液-固两相流颗粒冲蚀数值模拟
es Vol.54 N o.l Jan. 2021不同T型管汇液•固两相流颗粒冲蚀数值模拟金龙、陈基业2,陈樑1，2(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南昆明650032;2.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500)[摘要]目前对不同管汇处流场变化导致的冲蚀研究较少，基于计算流体动力学（CFD)仿真技术,研究了普通、球形、椭球形、梭形四种不同管汇T型管在颗粒流下的冲蚀行为。
结果表明：当采用垂直管为入口管，水平支管为 出口管的“一进两出”流动方式时，通过截取不同角度的流动切面发现椭球形管汇仅在45。
~60。
贴近管道壁面处产 生一对二次流迪恩涡，其余管汇在30。
~90。
均有二次流产生。
普通管汇的冲蚀主要发生在管汇与支管连接部位，其余管汇均发生在变径处，其中梭形管汇冲蚀最严重。
通过改变流速、颗粒质量流量、颗粒密度、颗粒粒径，对比分 析不同管汇的最大冲蚀速率变化规律，发现椭球形管汇最大冲蚀速率最低且变化幅度最小，具有较好的抗冲蚀特 性。
梭形管汇最大冲蚀速率最大且随影响因素变化幅度波动最大，因此生产中宜使用椭球形管汇，尽量避免使用 球形管汇与梭形管汇。
[关键词]不同管汇；T型管；液固两相流；颗粒冲蚀[中图分类号]TH117.1 [文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2021)01-0068-08Numerical Simulation of Particle Erosion in Liquid-Solid Two-Phase Flow of Different T-ManifoldsJ I N Long' ,C H E N Ji-ye2,C H E N Liang12(1.School of Public Safety a n d E m e r g e n c y M a n a g e m e n t,K u n m i n g University of Science A n d Technology, K u n m i n g 650032,C h i n a；2.School of Environmental Science a n d Engineering, K u n m i n g University of science a n d technology, K u n m i n g 650500,China) Abstract：A t present,there are few researches o n erosion caused by flow field changes at different manifolds. Based on the computational fluid d y n a m i c s( C F D)simulation technology, the erosion behavior of T-t u b e s with four different manifolds, i.e.,c o m m o n,spherical, ellipsoidal a n d shuttle s h a p e d, w a s studied in this paper. Results s h o w e d that w h e n the vertical pipe w a s the inlet p i p e,a n d the horizontal branch pipe w a s the outlet p i p e,i t w a s found by intercepting the flow sections of different angles that a pair of secondary flow D e a n vortices wer e generated in the ellipsoidal manifold only at 45°to 60° close to the pipe wall, and the other manifolds h a d secondary flow in the range of 30° to 90°. T h e erosion of c o m m o n manifold mainly occurred at the connection between manifold a n d branch pipe, a n d the other manifold occurred at the reducing diameter, a m o n g whi c h shuttle manifold w a s the most serious. Besides, the m a x i m u m erosion rate of different manifolds w a s c o m p a r e da n d analyzedb y changing the flow rate, particle m a s s flow rate, particle density a n d particle size. I t w a s found that the m a x i m u m erosion rate of ellipsoidal manifold w a s the lowest a n d the variation range of m a x i m u m erosion rate w a s the smallest, w h ic h h ad good erosion resistance. T h em a x i m u m erosion rate of shuttle manifold w a s the largest a n d fluctuated with the influence factors to the m a x i m u m. Therefore, ellipsoid manifoldshould be used in production, while spherical manifold a n d shuttle manifold should be avoided as far as possible.K ey word：different manifolds ；T- tube ；liquid - solid two phase flow ；particle erosion〇前言液体或气体夹带细小固体颗粒的管输方式在化工、油气井、油气田集输等生产领域内较为常见。
高压管汇多相流体冲蚀数值模拟研究
高压管汇多相流体冲蚀数值模拟研究作者：赖晓明来源：《中国科技纵横》2019年第11期摘要：针对国内外高压管汇件产品很难满足我国页岩气商业化开采，面临超高压压裂作业难题，在實际工程作业中陆续出现的一些质量问题，本课题将采用CFD软件仿真分析固-液两相流动，运用数值模拟方法能获得在各种工况下的完整数据，考虑固相颗粒之间的作用和固-液相之间的耦合作用力，分别对颗粒物含量较低时和固相颗粒含量较高的压裂作业流体工况进行分析，优化现有产品结构，解决一些重要的国产管汇件使用寿命不稳定的难题。
关键词：页岩气；压裂；CFD分析；数学模型中图分类号：TE345 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0097-020 引言我国在油气勘探开发的广度和深度方面呈现出大幅的上涨态势，特别是页岩气油气资源的勘探开发，对压裂设备提出了前所未有的挑战，2015年左右，由于原有高压管汇性能满足不了作业要求，分别在新疆油田和川庆钻探等作业区块，连续发生了多次高压管汇失效事故。
另外，近20年来，计算机运用技术取得的飞速发展，其中流体力学计算（Computational Fluid Dynamics，CFD）方面的研究也取得了前所未有的进步，研究逐步成为了一种与实验研究并存的有效手段。
1 研究目标以为内径为3寸，工作压力约140Mpa的高压弯头为对象。
这里为该样式的高压弯头构建了四种空间角度位置不同的两弯头相联接方式，分别为两弯头所在平面夹角为0°，45°，90°和135°。
针对这些不同的联接方式，首先使用FLUENT所带前置网格软件GAMBIT建立相应的计算区域，各联接方式弯头的计算区域均由4部分组成：进口直管段、弯管1、弯管2及出口直管段。
2 网格划分运用计算机对样品进行三维建模，用GAMBIT软件对模型进行本体材料的网格划分，完成计算空间的离散创建。
采用FLUENT软件对流场进行有限体积法计算，实现计算的基础和前提是网格划分，其结果将直接影响到最终数值计算的稳定性、高效性和结果的准确性。
管内螺旋液固两相流的流动行为及传热
2015年2月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb. 2015收稿日期：2014−11−15，修回日期：2014−12−31基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51206071)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：11JJ9003)作者简介：彭德其(1972−)，男，湖南省衡山县人，博士，教授，主要从事强化传热和节能环保技术研究，E-mail: pengshuaike@.管内螺旋液固两相流的流动行为及传热彭德其1， 张 浪1， 俞天兰2， 吴淑英1， 支校衡3， 陈 前1(1. 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412008；3. 湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)摘 要：利用Fluent–EDEM 耦合方法对管内插螺旋线的液固两相流动与传热进行数值模拟，分析了螺旋线对固相颗粒的诱导碰撞作用和液固两相流传热性能的影响. 通过实验验证，模拟值与实验值的偏差为6.3%∼13.8%. 模拟结果表明，与管内未插螺旋线对比，管内插螺旋线对液固两相流体具有诱导作用，使流体呈螺旋流状态；在流体离心力和螺旋线共同作用下，贴近管内壁运动的固体颗粒体积分数由0.44%提高到3.27%；相同雷诺数Re 条件下，内插螺旋线液固两相流传热方法的努赛尔数Nu 最大. 在Re ≤60000范围内，内插螺旋线液固两相流的综合评价指标值均高于内插螺旋线和液固两相流单独作用方式. 因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热的工况. 关键词：螺旋线；液固两相流；强化传热；诱导作用中图分类号：TK123 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2015)01−0045−051 前 言换热管内高效强化传热同时减少污垢沉积一直是国内外研究的热点[1−3]，其中旋流和液固两相流作为有效的传热强化技术都得到了广泛研究及应用. 文献[4−8]分别对内插螺旋线和液固两相流强化传热特性进行了实验及数值模拟研究，内插螺旋线和液固两相流都能加剧管内流体湍流强度及边界层的扰动，且进一步提高在线清洗、强化传热能力. 段培清等[9]研究发现，在相同条件下，内插螺旋线管内液固两相流方法强化传热的同时可使污垢量减少20%∼50%. 向寓华等[10]对换热管内插螺旋线液固两相流的清洗能力及阻力进行了实验研究，未发生粒子沉积和堵塞现象，安全可靠性好. Lennart 等[11]利用Fluent–EDEM 模拟软件对流化床粒子碰撞动力学进行了研究，从颗粒平均速度、角速度、颗粒−壁面间碰撞和颗粒之间碰撞频率等方面进行了分析，发现颗粒−传热面之间的碰撞、颗粒对边界层的扰动是固体颗粒强化传热的主要原因. 钟宏伟[12]分析了固相颗粒浓度分布对传热的影响，发现管壁处固相颗粒增多，传热效果更佳. 彭德其等[13]研究了扭曲管中加入固体颗粒的强化传热，与空管相比综合性能提高15.5%，但存在固相颗粒浓度分布不均匀且管壁磨损程度相差很大等问题. 综合以上研究，本工作在实验研究基础上，利用Fluent–EDEM 耦合模拟软件模拟内插螺旋线对固相颗粒运动规律和液固两相流传热性能的影响，并与光管、内插螺旋线及液固两相流单独作用时进行对比，揭示该复合技术的强化传热行为机理.2 实 验2.1 实验设备及条件建立换热管单管实验台，对空管、内插螺旋线、液固两相流、内插螺旋线及液固两相流复合技术进行实验研究. 为描述简便，4种换热管分别用表1中型号代替.表1 换热管型号Table 1 The types of heat exchange tubeType ModelSmooth tube 1# Smooth tube with particles 2# Smooth tube with spiral insert 3# Smooth tube with spiral insert and particles 4#整套实验装置主要由水蒸汽加热系统、冷却水系统及测量控制系统组成. 加热系统为被测实验段；冷却系统主要是冷却加热管内被加热的流体，以便使实验被测段管内流体的进口温度恒定. 单管换热传热性能实验装置如图1所示.图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus1. Heating system2. Cooling system a. Water heating bath b. Water cooling bathc. Heat transfer experiment tube实验用加热管规格φ38 mm ×2 mm ，套管规格φ57 mm ×3.5 mm ，实验段加热管长2000 mm ，螺旋线外径24 mm ，固相颗粒体积浓度2.5%. 前期测试固相颗粒沉降速度为0.3 m/s ，设定实验中流体流速约为1 m/s ，有效传热温差20℃. 2.2 实验方法进行换热管传热性能实验时，热水经水泵进入套管中，冷水经水泵进入加热管中，管内冷水自下向上流动，管外热水自上向下流动. 待热水和冷水温差达到实验要求时，将热水阀门打开，热水由水泵输送到换热套管中，通过阀门控制热水流量以调节换热量，待系统稳定后，读取流量等数据. 每隔5 min 记录一次数据.3 数值模型建立3.1 控制方程内插螺旋线液固两相流强化传热涉及流体−颗粒、流体−壁面、颗粒−壁面等换热，换热类型包括热传导和对流传热. 计算时不考虑组分扩散和黏性耗散引起的能量转移，不包含化学反应放热，根据多相流理论，分别得出液固两相控制方程[14].液相连续方程：[]()f f f (1)[(1)]01,2,3,v v jC u C j t x ρρ∂−∂−+==∂∂ (1)固相连续方程：()()s s s 0,v v jC C u tx ρρ∂∂+=∂∂ (2)液相动量方程：2sff f f d 1,d (1)v u F f p u t C νρρ=−∇+∇+− (3) 第i 个固体颗粒动量方程：s s ss s s fs d d ,d ii i Ai i Au V V f f p A f t ξρρ=−−+∫ (4) 根据动量叠加原理，固体颗粒群动量方程：s s s s s s s s 1111d ,d nn n n ii i i u V V f f V p f t ξρρ=−−∇+∑∑∑∑ (5)假设液相对固相作用力相等，得固相动量方程：f s f sf s s s s d d 11,d d v u u FC C f p t t C ξξρρρρρρ⎛⎞+−=−∇+⎜⎟⎝⎠ (6) 式中，ρf 为液相密度(kg/m 3)，C v 为两相流体中固相体积浓度(%)，t 为时间(s)，u f 为液相速度(m/s)，x j 为x 轴中j 分量，ρs 为固相密度(kg/m 3)，u s 为固相速度(m/s)，u为液相平均速度(m/s)，f f 为单位质量液体质量力(N)，∇p 为压力梯度矢量，ν为流体运动粘度(m 2/s)，F sf 为单位体积两相流体中固相对液相的作用力(N)，V s 为固体体积(m 3)，f s i 为第i 个单位质量固体质量力(N)，f ξi 为附加质量力(N)，p A i 为作用在固相单位面积上的压力分布函数，A 为面积(m 2)，f fs i 为液体对固体颗粒的作用力(N)，u s i 为第i 个固体颗粒速度(m/s)，C ξ为常数(0.5)，f s 为固体质量力(N). 3.2 数学模型以常规换热管φ38 mm ×2 mm 为研究对象. 换热管长2000 mm ，螺旋线外径与换热管内径之比d o /D i =0.7，螺旋线丝径1.5 mm ，螺距P =24 mm ，螺旋线起始端与加热管进口端面相距20 mm. 管内工质为清水，一般工程上流态化强化传热采用的固体颗粒直径为2∼4 mm. 本工作采用固相颗粒直径为2 mm 的惰性固体颗粒⎯陶瓷球，液固混合物中固相颗粒体积浓度为2.5%. 具体物性参数见表2.表2 物料参数Table 2 Parameters of materialsMaterial Density, ρ (kg/m 3) Viscosity, μ (×105 Pa ⋅s) Solid 2300 − Water 998.2 100.5∼300数值模拟时对模型进行如下简化和假设：(1)流体为不可压缩流体；(2)壁面为固定壁面且温度恒定；(3)因螺旋线的横截面相对换热管的横截面很小，螺旋线在管内两端固定，因此，不考虑螺旋线引起的流道截面积减小的影响，忽略螺旋线在管内的振动作用；(4)颗粒之间为点接触，碰撞过程中无变形.对不同节点步长下的网格模型进行求解，发现结果相似，因此网格的影响很小. 本工作利用Gambit 进行四面体非结构网格划分，考虑壁面边界层的影响，对壁面进行边界层网格划分，第一层厚0.01 mm ，共5层；对内插螺旋线的换热管因结构不规整，采用四面体非结构网格进行划分，网格最大为3 mm ，对螺旋线附近网格加密以提高计算精度，如图2所示.图2 内插螺旋线管网格Fig.2 Grid of the tube with spiral coil insert边界条件：管壁及螺旋线满足无滑移边界条件；管第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 47进口设为速度进口边界条件，管出口设为压力出口边界条件，设定液相相关的边界条件. 从Fluent 中设置与EDEM 耦合进入EDEM 的设置中；设置EDEM 中固体颗粒的材料及属性、接触模型和颗粒生产速率、几何体的材料属性；在EDEM 中建立固体颗粒生成工厂，然后再返回Fluent 进行计算. 选用RNG κ−ε湍流模型，SIMPLEC 算法进行压力和速度的耦合，壁面采用强化壁面法处理，方程采用一阶迎风格式进行离散，采用三维双精度分离隐式求解器. 其他边界条件和实验条件相同，分别模拟分析内插螺旋线和加入固体颗粒及两者相结合的方法对传热性能的影响.4 结果及分析在相同条件下计算表面换热系数的实验值，从Fluent 后处理中得出表面换热系数模拟值. 由表3可知，不同强化传热技术的表面换热系数实验值与模拟值偏差为 6.3%∼13.8%，模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了模拟的可靠性. 模拟时未考虑热量损失及测试误差，因而表面换热系数模拟值比实验值大.表3 管内表面换热系数Table 3 Internal surface heat transfer coefficientModelItem1# 2# 3# 4#Experimental value [W/(m 2⋅K)] 2238 2980 3352 4095 Simulation value [W/(m 2⋅K)] 2378 3189 3816 4388 Precision (%) 6.30 7.01 13.807.204.1 管内流体流线及颗粒分布图3为不同强化传热技术相应换热管内流体流线分布，其中标尺为流线标识号. 从图可看出，1#, 2#管内流体流线平行于轴向，3#, 4#管流体流线呈螺旋形，说明管内插螺旋线对流体有明显的诱导旋流作用.(a) 1# (b) 2# (c) 3# (d) 4#图3 管内流体流线Fig.3 Streamlines of fluid in different heat exchange tubes如图4所示，在颗粒浓度为2.5%的条件下，未插螺旋线管内中心处固相颗粒浓度比管内壁面处固相颗粒浓度大；内插螺旋线后，流体由沿轴线方向的流动方式变化为螺旋流方式，螺旋流动的流体对固相颗粒运动有诱导作用，使靠近管壁处固相颗粒明显增多. 利用Fluent–EDEM 软件后处理得出颗粒碰撞数，如图5所示，与管壁发生接触的颗粒数分别占总数的0.44%和3.27%，内插螺旋线后与管壁发生接触的颗粒数是未插螺旋线时的7.432倍，螺旋流动流体增加了固相颗粒对边界层流体的扰动和与管内壁的碰撞几率.(a) 2#(b) 4#图4 管内固体颗粒轴向分布Fig.4 Distributions of particle volume concentration of helicalcross-section with (a) and without helical coil insert (b)图5 与管内壁碰撞的固体颗粒数Fig.5 Number of the particles contacting with tube wall4.2 螺旋线对颗粒分布的诱导影响在管内平均流体流速为 1 m/s 、固相颗粒浓度为2.5%、其他条件相同的情况下，对管内插入不同外径螺旋线时的固相颗粒运动进行分析. 表4为螺旋线外径分别为15, 20, 24, 30 mm 时对固相颗粒运动的影响. 从表可知，螺旋线外径增大，颗粒平均速度减小，管中心颗粒最大速度增大；螺旋线外径越小，颗粒受到的离心力越小，管中心处颗粒越多，因此，螺旋线外径为15 mm 时管内固体颗粒平均速度最小. 螺旋线外径增加，管壁0.00.51.01.52.02.53.03.5050100150200250300350N u m b e r o f c o n t a c t sTime (s)48 过 程 工 程 学 报 第15卷处颗粒增多，固相颗粒在管壁处碰撞频率增大，导致固体颗粒转动动力削弱，从而管壁处固相颗粒平均角速度和最大角速度下降. 表中管壁附近颗粒浓度增大到一定程度后颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞频率增大，所以螺旋外径为24和30 mm 时平均角速度和最大角速度相继减小. 螺旋线外径增大对固相颗粒运动的诱导作用更明显，颗粒随旋流流体运动到管壁周围的数目更多，因此管内壁附近固相颗粒体积浓度增大，碰撞次数更多，更有利于强化传热与除垢防垢作用.表4 螺旋线外径对颗粒的影响Table 4 The effect of out diameter of spiral insert on particlesOut diameter of spiral insert, D spiral (mm)Item15 20 24 30Average velocity (m/s) 0.763 0.733 0.706 0.555 Maximum velocity (m/s) 0.8 0.891 1.308 1.313 Average angular velocity (r/s) 197 349 334 261 Maximum angular velocity (r/s) 765 1009 943 9204.3 固相颗粒浓度对流动及传热的影响在内插螺旋线外径为30 mm 、流体速度为1 m/s 、其他条件相同的情况下，分析了换热管内加入不同体积浓度固体颗粒对流体流动和传热性能的影响.图6为不同固相颗粒浓度湍流强度分布曲线，由图可知，改变固相颗粒浓度对流体湍流强度的影响很大. 颗粒浓度分别为0.5%, 1%, 2.5%, 5%, 8%时，流体的湍流强度依次提高至8.83%∼11.1%, 8.83%∼11.29%, 10.09%∼13.25%, 11.24%∼13.95%, 11.87%∼13.53%；固相颗粒体积浓度增至10%时湍流强度开始出现下降趋势. 因为近壁处固相颗粒体积浓度增大，对热边界层的扰动更强烈，但增大到一定浓度时固相颗粒所占空间反而影响流体运动的充分发展，因此，随固相颗粒浓度增大，湍流强度先增大后减小.图6 湍流强度分布曲线Fig.6 Variation of turbulence intensity distributionwith position under different particle contents4.4 传热及阻力分析由图7中4种强化传热技术相应的努赛尔数Nu 随雷诺数Re 变化曲线可知，Nu 随Re 增大而增大，并逐渐趋于平缓；在相同Re 条件下，4#管的Nu 最大，说明其传热效果最好；在模拟Re 范围内，与1#, 2#, 3#管相比，4#管的Nu 依次提高28%∼86%, 23%∼53%和17%∼31%. 原因是4#管中内插螺旋线使流体产生旋流及固相颗粒在管壁周围的运动都增强了管内流体的湍动，因此，更有利于强化传热.图7 努赛尔数Nu 随雷诺数Re 的变化 Fig.7 Relationship between Nu and Re螺旋线和固体颗粒同时使管内流体受到不同程度的扰动，颗粒运动也需耗散流体功，从而造成管内压降损失相应增加. 图8为不同强化传热技术的阻力系数f 随Re 的变化，由图可知，阻力系数f 随Re 增大而减小；与1#, 2#, 3#管相比，4#管的阻力系数依次提高126%∼ 152%, 104%∼107%, 22%∼24%.图8 阻力系数f 随雷诺数Re 的变化Fig.8 Relationship between friction factor f andReynolds number Re内插螺旋线液固两相流技术强化传热的同时增加了流体管程阻力损失，考虑传热和阻力的综合影响，采用广泛应用的综合性能评价值(PEC)对其综合性能进行评价：()()1/3PEC ///,i i Nu Nu f f = (7)20000400006000080000100000100120140160180200220240260280300N uRe1#2# 3# 4#468101214T u r b u l e n t i n t e n s i t y (%)Position (mm)200004000060000800001000000.030.060.090.120.150.18 C o f f i c i e n t o f r e s i s t a n c e , f1#2# 3# 4#Re第1期 彭德其等：管内螺旋液固两相流的流动行为及传热 49式中，Nu 和f 分别为4#管的努赛尔数和阻力系数，Nu i 和f i 分别为2#或3#管的努赛尔数和阻力系数，下标i 为2#或3#管.如图9所示，在Re ≤60000时，以2#管为被比较对象，4#与2#管的PEC 比值大于1；在模拟Re 范围内，以3#管为被比较对象，4#与3#管的PEC 比值也大于1. 这说明在低流速下4#管的综合性能比2#和3#管好.图9 综合性能对比Fig.9 Comparison of comprehensive performance5 结 论针对管内插螺旋线和液固两相流及其复合技术的流场分布及传热性能进行了研究，得到如下结论：(1)内插螺旋线使管内流体呈明显的螺旋流状态，且内插螺旋线后与管壁发生接触的固相颗粒数由0.44%增加至3.27%.(2)努赛尔数Nu 随雷诺数Re 增大而增大. 在相同的Re 下，螺旋线与液固两相流相结合的强化传热效果最好，但其阻力系数也相应增大.(3)当Re ≤60000时，分别以内插螺旋线和液固两相流传热技术为被比较对象，内插螺旋线与液固两相流复合强化传热技术的PEC 比值均大于1，因此，该技术适用于低Re 下管内防垢除垢及强化传热工况.参考文献：[1] 杨丽云. 防治换热器污垢，降低经济损失 [J]. 化学工程与装备,2009, 6(6): 69−71.[2] Passakorn V , Jarruwat C. Numerical Analysis of Heat Transfer andFlow Field around Cross-flow Heat Exchanger Tube with Fouling [J]. Appl. Therm. Eng., 2010, 30(10): 1170−1178.[3] 齐洪洋，高磊，张莹莹. 管壳式换热器强化传热技术概述 [J]. 压力容器, 2012, 29(7): 73−78.[4] 林霖. 螺旋内插件强化传热换热器的性能对比分析 [J].Equipment Manufacturing Technology, 2009, (7): 24−26.[5] Pronk P, Infante F C, Witkamp G J. Mitigation of Ice CrystallizationFouling in Stationary and Circulating Liquid −Solid Fluidized Bed Heat Exchangers [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2010, 53(1/3): 403−411.[6] Srbislav B G , Branislav M J, Marko S J. Analysis of Fouling Factor inDistrict Heating Heat Exchangers with Parallel Helical Tube Coils [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2013, 57(1): 9−15.[7] 李洪亮，柳坤，许艳芳. 惰性粒子对水沸腾传热强化的实验研究[J]. 化学工程, 2010, 38(7): 31−35.[8] 韩继广，吴新，周翼. 管内插入扭带及螺旋线圈的传热与阻力特性实验研究 [J]. 热能动力工程, 2012, 27(4): 434−438.[9] 段培清，南碎飞，窦梅，等. 换热器防除垢实验研究 [J]. 高校化学工程学报, 2009, 23(1): 51−57.[10] 向寓华，姚雪峰，彭德其. 旋液流态化流体阻力与传热的实验研究 [J]. 化工装备技术, 2012, 33(6): 5−7.[11] Lennart F, Sergiy A, Stefan H. 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The particles collision on heat transfer surface and the heat transfer enhancement were analyzed, which was induced by spiral insert. The experiments show that the deviation between the simulation and experimental data is small in the range of 6.3%∼13.8%. The fluid flows spirally, and the volume fraction of particles close to wall is increased from 0.44% to 3.27%, induced by the spiral insert. The results indicate that Nu of the combination is greater than that of only two-phase flow without insert under the same Re . When Re is below 60000, the two-phase tube flow with spiral insert has greater comprehensive evaluation index PEC than liquid −solid flow without insert and spiral insert without particles, respectively. Therefore, this combination technology can be applied in prevention of fouling and enhancement of heat transfer under the condition of low Re condition. Key words: spiral insert; liquid −solid two-phase flow; heat transfer enhancement; induction200004000060000800001000000.900.951.001.051.101.15 C o m b i n a t i o n p r o p e r t y , ηRe。
固体火箭发动机内气粒两相流动的sph-fvm耦合方法数值模拟
固体火箭发动机内气粒两相流动的sph-fvm耦合方法数值模拟摘要：本文提出了一种基于sph-fvm耦合方法数值模拟固体火箭发动机内气粒两相流动的新方法。
我们采用SPH-FVM 耦合方法来实现不均匀网格及多体表面活动问题的解决。
我们利用该方法对不同单元结构和不同场设置的实例进行了大量数值模拟，并且给出了所获得的结果。
结果表明该方法能够有效地模拟固体火箭发动机内部的气粒两相流动。
关键词：固体火箭发动机；气粒两相流动；SPH-FVM耦合方法；数值模拟正文：本文提出了一种新的数值模拟方法来研究固体火箭发动机内部的气粒两相流动。
本文采用 SPH-FVM 耦合方法来模拟不同单元结构和不同场中的气粒两相流动。
SPH 方法是一种基于粒子的数值方法，可以实现不均匀网格及多体表面活动问题的解决。
FVM 方法是基于网格的数值方法，能够有效地模拟流场的在空间的局部变化。
为了更好的模拟气粒两相流动，我们将SPH和FVM数值方法进行耦合，采用了一种基于折算系数的构建方法，以有效地利用两个数值方法的优势，以提高数值正确性和计算效率。
本文利用该方法对不同单元结构和不同场环境设置的实例进行了数值模拟，给出了所获得的结果，结果表明了该方法的有效性。
本文提出的 SPH-FVM 耦合方法模拟固体火箭发动机内部的气粒两相流动将为固体火箭发动机的设计、分析及评估提供新的帮助。
应用的话，SPH-FVM耦合方法可以用来模拟固叶火箭发动机内部气体粒子二相流动的性能。
这种方法对于模拟复杂的气体流动和温度场的表达具有许多优势，如更小的计算量和更高的模拟准确性。
例如，利用这种耦合方法可以模拟各种流体匹配和内部噪声场，以及旋流模型以及更复杂的多相流动模型，这些都可以帮助我们获得准确的火箭发动机参数和性能。
此外，这种耦合方法可以用来模拟火箭发动机内部气体粒子二相流动的各种特性，包括气体可视化、网格生成、流体流动分析等，从而可以用于分析和优化固体火箭发动机的性能和回报，并更好地控制发动机燃烧过程。
浆氢在水平圆管内流动的数值模拟
浆氢在水平圆管内流动的数值模拟
张鹏;石新杰
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2014(065)0z2
【摘要】利用三维欧拉-欧拉模型对浆氢在水平圆管中的流动特性进行了数值模拟研究,通过数值计算确定了合适的颗粒-颗粒碰撞恢复系数、颗粒-壁面碰撞系数等相关参数,并将数值模拟的压降结果与文献中实验数据进行了对比.利用两相模型对固相体积分数分别为10％、20％、30％,流速分别为1 m·s-1、2 m·s-1、3 m·s-1,管道直径分别为10 mm、16.6 mm、23 mm下的浆氢流动特性进行了模拟,得到了浆氢的固相体积分数在管道截面上的分布,发现在较低流速、较低固相平均体积分数和较大管道直径的情况下固相颗粒的体积分数分布不均匀性更大.
【总页数】7页(P38-44)
【作者】张鹏;石新杰
【作者单位】上海交通大学制冷与低温研究所,上海200240;上海交通大学制冷与低温研究所,上海200240
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.5
【相关文献】
1.水平突变管内流动形态的数值模拟 [J], 邱耀德;罗彬文;彭高
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5.水平管内流动蒸发数值模拟及可视化研究 [J], 吴晓敏;莫少嘉;李辉;吴越;王维城因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
液固两相流管道磨蚀数值模拟研究
颗粒表面的粗糙度下降，磨蚀的速率也会下降；而当颗粒的半径变大时管道磨蚀的速度也会加快，加重管道的磨蚀情况。
2.2 介质因素介质因素的影响参数有温度、pH 值、溶氧量等。
这些介质参数通过影响材料的耐蚀性或者成膜状态来影响它的磨蚀性能。
2.3 材料因素材料因素包含金属的化学成分、耐蚀性等等。
通过影响材料的组织结构可以影响管道的磨蚀，而它的宏观力学性能也会对管道的内壁造成一定的破坏。
和那些软性材料相比，硬性材料更能够阻挡管道的磨蚀。
2.4 流体力学因素流体力学因素包含了流速和流态。
流体对于管壁的冲击速度会加重磨蚀，而流体的流态也会对管道磨蚀产生重要的影响，随着时间的进行，磨蚀会反过来影响流速流态，反复影响会导致过流部件失效。
当速度较大的时候会引起冲刷和磨蚀的交互作用增加。
3 数值模拟[6]建立如图1所示弯管模型，管径d=0.6m ，拐弯半径R=1.8m ，出/入口直管段管长L=5m 。
图1 弯管模型及网格划分选择压力求解器pressure-based ，湍流模型选择添加k-epsilonRealized ，离散相模型选择作用连续相Interaction with Continuous Phase ，点击物理模型Physical Models 标签页，点选激活Erosion/Accretion ，计算磨蚀速率，材料material 创建油品oil ，密度860kg/m 3，粘度0.02kg/(m ·s)，入口设置为速度入口，流入速度10m/s ，湍流强度5%，水力直径0.6m ，离散相为砂，密度2500kg/m 3，质量流量1kg/s ，直径200μm ；出口设置为outflow 边界。
颗粒在壁面上的法向及切向反弹系数定义为颗粒冲击角的多项式函数。
在建立冲蚀模型时，冲击角函数被用于定义管道壁面的塑性冲蚀。
0 引言由于地层及井下作业的复杂性，即使已经采取防砂措施，油气产物中依然会存在含砂现象。
油气集输管道在油气的运输中承担着重要的角色和作用，而采出液含砂在输送过程中，宜使油气集输管道受到磨蚀而导致油气管道泄漏事故，这对于整个能源或工业行业来说都是很不友好的。
管道复杂流场气固两相流DPM仿真优化
管道复杂流场气固两相流DPM仿真优化张涛;李红文【摘要】针对Fluent中气固两相流离散相模型(DPM)仿真，为提高通用模型对管道节流复杂流场问题仿真时的准确性，在结合气相流场分析与固相颗粒受力分析的基础上，提出 DPM 优化的4项措施，即从气相速度入口模型、颗粒曳力模型、颗粒壁面碰撞模型、颗粒所受各个力的合理取舍4个方面进行优化。
通用模型的优化通过调用 Fluent相关宏并编制用户自定义函数(UDF)程序实现。
实验已验证优化 DPM 的准确性明显优于通用 DPM，具体体现在：两相流型转换时气相速度区间的模拟，颗粒沉降气相临界速度的模拟方面，这2项指标优化后比优化前分别提高55%和50%；在实验管道局部阻力损失与节流孔板前颗粒速度分布的模拟仿真方面，优化DPM显然具有更准确的优势。
通过实流实验与仿真模拟的对比，证明优化是有效的。
从研究过程可以得出，模型优化的方法对于其他类似的复杂流场工况具有通用性和工程实用价值。
%General discrete phase model (DPM) simulation on gas-solid two-phase flow is now widely employed. In order to improve its accuracy on pipeline throttling with complex flow field, based on analysis combined gas flow field and forces acting on solid phase particles, four optimization measures about the general DPM model are proposed, which include gas inlet velocity model, particle drag model, collision of particles with internal surface of pipeline and reasonable choice of each force on particles. The optimization of general model is achieved by calling Fluent related macro and compiling user defined functions (UDF) program.Experiments verified that the accuracy of the opti-mized DPM model is significantly superior to the general model,as is shown in thefollowing four aspects:the simu-lations of the two-phase flow gas velocity conversion interval and the gas critical velocity of particle sedimentation, which increased by 55%and 50%respectively in the optimized model;what is more, the optimized model obviously has more accuracy advantage on local resistance loss in experimental pipe and particle velocity distribution simulation. Through the contrast of experiment and simulation, the optimization is proved to be successful, and it is concluded that the method of optimization is versatile for other pipeline with complex flow field and has practical engineering value.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】10页(P39-48)【关键词】计算流体力学;气固两相流;离散相模型;用户自定义函数;标准孔板【作者】张涛;李红文【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072;天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072; 东北石油大学学校办公室，大庆 163318【正文语种】中文【中图分类】TP391气固两相流在工业生产中，尤其是能源动力及化工等领域应用广泛，其中稀相气固两相流管道流动中，通常安装有流量测量装置，例如燃煤电站输送管道煤粉含量和流量的节流法测量，锅炉工业中含尘烟气流量测量等.近年来林宗虎[1]通过差压法测量气固两相流浓度，即在煤粉吹送管道中加装各种孔板元件来实现，王文琪[2]、谢菲[3]采用文丘里管进行煤粉输送管道中的流量测量.由于节流件的阻碍作用，管道内部流场复杂[4]，流动情况多变.在这种情况下，两相流会有不同流型；如果气相速度降低，固相颗粒还会沉降，因节流件通常用于单相流测量，当用于两相流测量时，需要深入研究上述问题；此外，对固相颗粒轨迹的研究能更好地了解颗粒的行为.这些都有助于提高测量精度.上述问题采用实流实验研究方法显然不十分方便，需要找到一种方便有效的研究方法.随着计算机仿真应用技术的发展，CFD(computational fluid dynamics)流体仿真模拟技术得到很快的发展，其中Fluent是最有代表性的仿真软件之一，它的优点是突破了实物条件的限制，使用方便，应用范围广泛.DPM(discrete phase model)是Fluent的子系统之一，利用它研究气固两相流离散相实用且有效，可以方便地研究上面提到的这些问题，但在实际应用中发现它仿真模拟的准确性与前文工况或相对应的实流实验有些偏差，准确性尚有提高的可能，仿真的优势未能充分发挥.本文借助两相流颗粒力学等结论，结合气相流场特点，对离散相颗粒行为进行了详细分析，将颗粒受力进行了合理取舍，结合实际优化了入口与碰撞的边界条件，及曳力系数经验公式，结合UDF(user defined function)这一有力的实用工具，对低浓度气固两相流管道的孔板测量工况的DPM模型进行了改进，即优化研究工作，再通过实流实验进行验证，提高了仿真模拟的准确性.1.1 Gambit网格剖分与Fluent气相设定在DPM模型中，定义气体为连续相，定义固体颗粒为离散相.若要准确研究离散相颗粒的行为，气相流场的准确计算与模拟是必要前提.首先依据试验用管道实体情况剖分Gambit网格模型，标准孔板尺寸为D＝50,mm，孔径比β取0.50、0.65、0.75 3种规格，孔板厚度为3,mm，流体介质为标准状况下的空气，孔板前后的直管段长度分别为50D与30D.孔板前后气相流体湍动剧烈，流场中速度压力梯度大，所以孔板前后网格要划分得精密些，其余直管段部分为流场充分发展段，网格划分相对稀疏些，精密与稀疏网格通过尺寸函数来过渡，这样既能保证网格质量，又不至于使网格数目过多，能平衡好计算的准确性与计算速度的矛盾[5].仿真计算中，气相控制方程应用Realizable k-ε两方程模型，此模型适用于包含射流，及混合流的管内流动，对本文工况非常适用；设残差小于0.0001时方程收敛；设置求解器为3维单精度形式；动量、湍动能、湍流耗散率等选取一阶差分迎风格式；根据实际将管道入口及出口，设置为速度入口及自由流出口.CFD软件中有网格自适应功能，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确.计算过程中采用了网格自适应adapt功能[5].图1为气相仿真中孔板附近轴向剖面速度云图.从图中可见，孔板前1D之前为充分发展的管内湍流，轴向截面速度场形成规则的湍流速度分布.孔板后5D范围以外流场又开始逐渐恢复成孔板射流之前的湍流状态.而在孔板前后，速度与压力梯度大，流场复杂[4]，具体表现为，孔板的射流，形成高速的速度峰值区，孔板两侧的环形直角区又发生剧烈的速度回流，即存在显著的漩涡.实验用离散相固体颗粒为石英砂，其平均直径0.04,mm，表观密度为2,600,kg/m3，堆积密度为1,400,kg/m3，颗粒形状近似球形．仿真计算中颗粒物性按此进行设置，形状视为球形．1.2 固体颗粒在气相流场中的受力分析DPM模型要从颗粒受力作为研究的切入点.离散相颗粒在气相流场运动过程中，重力与浮力是最基本的两个力，此外，还有很多个力作用于颗粒，不同力对颗粒运动影响不同，即地位和作用各有差异[6-7].颗粒在流场中随气相运动，其惯性力为式中：dp为颗粒直径；ρp为颗粒密度；up为颗粒速度.在流场中，阻力与曳力二者互为相反，即颗粒对气体产生阻力，曳力是阻力的反作用力，由气体施加于颗粒，其表达式为式中：u为气相流体速度；ρ为流体密度；rp为颗粒半径；CD为曳力系数或阻力系数.这一表达式是定义形式，在具体工程应用中，这一公式会有各种不同表达方式.压力梯度力是气相流场中压力梯度对颗粒引起的作用力，表达式为式中Vp为颗粒体积．由颗粒表观质量效应产生的虚假质量力为颗粒在流体中旋转会产生升力，称作Magnus升力，它一般与重力数量级相同，表达式为式中ω为颗粒自转角速度.流场具有速度梯度，于是颗粒上下侧的速度大小不同，这对颗粒产生的升力，称作Saffman升力，表达式为式中μ为空气的动力黏度.在黏性流体中，流体流动的不稳定造成一种瞬时流动阻力，即Basset力，它是一种历史力，需要计算颗粒的运动时间经历的有关指标，才能准确描述.其理论表达式为1.3 通用DPM模型的解算过程模型中假设固相的体积分数小于10%，即离散相很稀疏，认为颗粒与颗粒之间，不发生碰撞，没有互相作用.每个颗粒只与流体互相作用.模型的解法是对连续相流体求解欧拉坐标系下的纳维-斯托克斯方程，不失一般性，可先设残差为0.005或0.010，当计算结果收敛后，将颗粒注入流场，再以单颗粒为对象在拉格朗日坐标系下，求解颗粒运动状态，以颗粒的轨道方程来表示，此时要考虑颗粒与流体的相互作用，此时残差一般设为0.000,1，当计算再次收敛时，即得到计算结果.在DPM中，为求解离散相颗粒运动轨道，需要对描述颗粒作用力的微分方程进行积分.根据牛顿定律，颗粒惯性等于作用在颗粒上的各个力之和，其在直角坐标系下的形式(以x方向为例)为式中：m为单颗粒质量；Fx是x轴方向上的其他力，包括第1.2节提到的所有力，后文会详细分析这些力的处理方法；Rep为颗粒雷诺数或相对雷诺数，定义为Fluent中对于Rep有5种经验公式模型可选，通用DPM一般采用的简化表达式为式中1μ、2μ、3μ、η为DPM通用模型库中存储的常数，由相关经验公式得出．对式(8)积分可得颗粒轨道x轴方向上每一个点的瞬时速度，而颗粒轨道通过对方程进行积分，即求得x值．求得颗粒在x轴方向上的坐标后，同理可求得颗粒在y、z轴方向的坐标，这样仿真计算结果就可得出颗粒在流场中的位置，即离散相颗粒的轨迹．2.1 通过分析确定通用模型的优化策略通用DPM，也称之为基本或理想DPM模型，适用于很多两相流工况，它普适性较强，但对于某些特殊问题的数值模拟，误差稍大.对于文中气固两相流孔板检测这一具体问题，前文已提及，在孔板前后气相流场很复杂，速度和压力梯度大，固体颗粒受其作用，在孔板前后区域，颗粒与管壁、孔板迎流面发生多次碰撞反弹，由于颗粒自身快速地自转，决定了被反弹后的运动方向也各不相同，当气相速度降低，颗粒还会因重力沉积在孔板前方的管壁下侧，此时气相速度为固相颗粒沉积临界值.因此，对此问题的DPM仿真，需要自定义其中的一些物理模型，以提高针对具体工况模拟的准确性.研究后发现针对本系统，通用模型具有几个方面可以改进和优化之处，详细论述如下.2.1.1 颗粒受力分析与处理方案针对第1.2节中颗粒所受各个力，进行分析并选取合适的方案处理，用以优化DPM模型.通常，颗粒曳力最明显也最大，它比压力梯度力大3个数量级，比虚假质量力比大3或4个数量级[7]，所以，可以合理地忽略这2种较小的力.通用DPM模型中，设置了Saffman升力处理程序，通过启动相应功能选项来实现.通常的模拟中往往忽略此力，但对本文工况，这样处理有失准确.原因是，根据式(6)分析，Saffman升力由于颗粒上下侧的速度大小不同，即速度梯度所产生，在管道流动的中心区，流体速度梯度小，此力可视为0，但是在边界层中流体速度梯度大，Saffman升力明显，尤其在管内流场复杂的孔板前后方，速度梯度更大.只有对此力加以计算，才能更准确地描述颗粒行为.通用DPM模型将颗粒看作表面光滑的球形，于是认为颗粒不受气相流场的外力矩，故而合理地将Magnus升力忽略.事实上，颗粒形状不存在理想的球形，只要外形有一点不规则，气相流场就令颗粒受到方向各不相同的力矩作用，结果是颗粒产生自转运动且速度很高[7-8]，经研究发现转速可达1,000,r/s左右.又根据式(5)，Magnus升力大小与重力相比，二者大小相等方向相反，研究得到的几个典型经验值认为二者量值差异在10%以内[7]，于是Magnus升力与重力能够互相抵消.而颗粒的曳力又比重力大1个数量级，由于式(8)中已经计算了重力，如果忽略Magnus升力将会造成很大的误差.所以准确计算此力将更加准确描述颗粒运动.如果需要准确计算Basset力，需按照由长福等[9]给出的表达式进行.针对本文工况，由湍流引起的颗粒随机脉动，其影响经积分后Basset力几乎为0.同时实际情况也符合流体密度与颗粒密度之比小于0.002时，可以忽略Basset力这个条件，据此本文将其忽略，不失合理性.2.1.2 仿真模型气相入口速度的优化模拟管道的气相速度入口时，从图2(a)可见，入口截面上往往采用简化的匀速固定速度流入方式，其大小为u0，而实际上孔板节流件之前已经有足够长的直管段，气相已经形成如图2(b)所示的速度分布.而在通常仿真中，研究人员所设定的入口速度u0是一个通过质量流量准确计量而求得的平均流速，这种简化的速度入口形式与实际情况相差较明显.尤其涉及到计算颗粒轨道的步骤时，气相的差异造成入口处颗粒运动的初始状态就与实际工况有明显差异，尤其是接近于管壁处的边界层区域，这种差异要比管道主流区明显得多.尽管这个差异的影响随着迭代计算会有所减弱，但很难消除，会在整个计算区域一直存在，根据式(6)可知，这种影响的表现之一就是Saffman升力不准确.解决这个问题的方法是采用自定义速度入口，用以描述图2(b)的两相模型气相速度入口形式为式中：R为圆形管道半径，R＝25,mm；um为圆形管道中心轴线上的速度；uin为管道入口处距轴线r处的速度，针对本文工况，经流体力学基本理论计算，可知um＝1.24,u0，采用式(12)描述的气相速度入口，可提高仿真计算的准确性.2.1.3 颗粒曳力模型的选择在计算曳力时，通用DPM模型给出的5个经验公式，编制了相应程序，用来解决各种常见工况.在一定的颗粒雷诺数Rep范围内，程序中通常用将CD表示为Rep 的一个全区域通用的经验公式函数.而在本文工况中，对于充分发展的管内流动，雷诺数变化范围较大；尤其在孔板前后附近区域，即孔板前1倍后3倍管径范围内，气体湍动显著，雷诺数的变化区间超过充分发展管流的数倍，颗粒受气相流体作用，造成全区域的曳力系数模型较为粗略，针对此问题有必要选择更加准确的曳力系数模型.在计算方程(8)时，CD采用文献[7]提供的“球形颗粒曳力系数表达式”，它将见整个颗粒雷诺数适用范围分为10个区间，如表1所示，它来源于前人大量的实验数据与统计研究，从0到无穷大的任何一个颗粒雷诺数，都相应地对应某个精确的曳力系数表达式，其优点在于采用分段表示的的精确公式，准确性明显要高于全区域通用的经验公式.在DPM模型优化中，为提高仿真模拟的准确性将表1公式组代替原有的曳力系数表达式.2.1.4 颗粒壁面碰撞边界条件优化系统运行中，固体颗粒会与壁面发生碰撞并反弹，尤其在孔板迎流面最为显著.碰撞行为受颗粒的物性、运动状态，包括速度、入射角度，自旋状态等等参数的影响，由于众多因素的影响，至今没有反映碰撞规律的普适模型，在DPM通用模型中，程序将实际情况简化为反射、捕获、逃逸3种边界条件，这样处理的理由有2点，或是认为颗粒碰撞不存在能量损失，是完全的弹性碰撞，或是简单地设定一定的常数值碰撞恢复系数，用以表示颗粒的能量损失程度.分析可知，这2个简化方法都不能较准确描述颗粒与壁面碰撞的复杂过程，引入计算误差.所以要针对各个工况的具体情况寻求合理的碰撞模型，便于准确地描述碰撞后颗粒的行为，以及描述更为准确的运行轨迹，从而提高仿真准确性.国内外一些科研人员[8，10-11]通过激光全息和PIV实验装置，针对于某些特定的工作参数条件.得到了一些颗粒壁面碰撞模型的经验公式，这些经验公式普遍认为反射、捕获、逃逸的定义，稍为简单，他们通过大量的统计性研究，发现恢复系数与入射角及入射速率有关.本文中颗粒的理化特性与工况非常接近其应用条件，故将其应用于DPM模型优化过程中文献[8]所提供经验公式为式中：v1与v2分别为颗粒与壁面碰撞前后的速率；α1与α2分别为颗粒的入射角与出射角，rad．具体形式如图3所示．2.2 DPM优化策略的实现Fluent软件不可能满足每一个具体工况的实际情形，其标准界面及功能并不能满足每个用户的需要．软件提供的UDF功能正是为解决这个问题而开发的，用户可以编写Fluent源代码来满足各自的特殊需求．用户自编的代码程序可以动态地链接到Fluent求解器上来提高求解器性能．UDF中可使用标准C语言的库函数，并使用Fluent提供的预定义宏，通过预定义宏，可以获得Fluent求解器中的数据．本文采用编译型UDF，嵌入共享库中与Fluent链接并运行[5]．采用UDF功能实现通用DPM模型的优化，采用上文相关公式进行C语言编程，并通过Fluent中的几个自定义宏来实现，对应第2.1节相关宏如下．(1)为准确计算Magnus升力，使用“自定义重力及曳力之外的其他体积力”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BODY_FORCE；如需准确计算Basset力，也通过这一宏实现.(2)为准确定义空气入口湍流速度剖面表达式，使用“自定义边界截面上的变量分布”这个宏，其语句为DEFINE_PROFILE.(3)为定义颗粒曳力模型的公式组，使用“自定义流体中颗粒的曳力系数”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_DRAG.(4)为实现自定义的颗粒与壁面碰撞规律.使用“自定义颗粒到达边界后的状态”这个宏，其语句为DEFINE_DPM_BC.所编制的C语言源程序，包含上述宏语句的代码，在离线调试运行成功后，作为功能模块添加到Fluent通用模型中，然后再进行DPM模拟计算，这样，针对气固两相流节流流场，拓宽了通用DPM模型适用范围，同时提高了仿真精度，解决了具体问题的实际需求，DPM模型得以优化.需要说明一点，Fluent中DPM优化前后，其适用条件没有变化，即假定离散相非常稀疏，这样可以合理地忽略颗粒与颗粒间的相互作用，以及忽略颗粒体积对连续相的影响．这个假定意味着离散相体积分数小于10%．但是颗粒质量载荷可以远大于10%．在下文的实验与仿真中，当取最大的固气质量比RPG＝5时，颗粒体积为两相混合物的0.43%，符合DPM的适用条件．在仿真计算中，颗粒载荷比较大，离散相的颗粒质量会对连续相气体的流动状态产生影响，所以为准确计算两相间的相互作用，需采用相间耦合计算模式[12]．实流实验在天津大学气固两相流实验装置上完成，此装置是研究气固两相流的理想平台，实验段管路可以安装各种流量检测仪表．装置详细介绍可见文献[13]．实验台部分接入标准孔板法兰取压部件，法兰两端可以更换，实验中接入一段粗糙度等指标与钢质管道很接近的透明工程塑料管道，以便观察管内孔板前后颗粒的流动状况．3.1 气固两相流流型与流型转换区间的验证实验中，针对3种不同规格孔板，当固体颗粒注入，在β＝0.50、0.65、0.75时，气固质量比RPG＝1.0、2.0、3.0，固相体积分数均小于0.25%，此时两相流有悬浮流和管底流2种流型，分别描述为：①气相作用下，所有颗粒悬浮在管道中向前流动，颗粒在管道中呈现均匀的弥散状态，此时处于悬浮流状态；②半数以上的颗粒位于管道下部高度为D/4部分，在气相作用下，少数颗粒在管道底部跳跃前进甚至滚动(或滑动)前进，此时颗粒处于管底流状态，而颗粒未出现停滞，全部流过管道，没有沉积在管道底部．当气相入口流速改变时，流型会有所变化，速度较低时出现管底流，速度较高时，出现悬浮流．两种流型之间有一个过渡区域，文中称为流型转换区．实验操作中，气相入口的速度u0的范围为2～10,m/s．入口速度u0从高速开始，逐步减小，每隔0.1,m/s为1个实验点．这样得到实际实验中流型转换速度区间[u1，u2]，当u0＞u2时是悬浮流，当u0＜u1时是管底流．颗粒流动的状况可以从孔板前方的透明管道观察到．仿真采用ANSYS Fluent13版本软件，设定与实流实验相同的实验点参数．先对每个实验点工况下进行纯空气流动的仿真模拟，当气相收敛残差达到0.01时，暂停仿真，存储cas与dat文件，为进行比较研究，分别启动通用DPM模型，与优化DPM模型进行仿真，便于比较研究．在颗粒注入管道气相流场时，采用管道入口的面射流源注入．图4为DPM仿真程序模拟绘制出的颗粒轨迹(统计平均轨道)，分别代表了2种流型．在孔板上游，处于悬浮流的颗粒轨迹均匀地布满整个管道剖面，处于管底流时颗粒在管道下方更为密集，与孔板迎流面下方发生碰撞也多一些，这与实验管道中的观察情况一致．通过仿真与实验结果对比可知，优化DPM在两个方面优于通用DPM：①通过观察可知，优化后模型仿真模拟颗粒的轨迹更接近实际情况；②流型转换时，对气相临界速度区间的模拟，优化模型更接近于实流实验，如表2所示，仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．仿真结果偏差是按如下方法估算的：取每个速度区间的中点，作为流型转换区速度的典型值，以表中第1行数据为例，相应的各个典型值为5.90、5.40、5.55，以实流实验为准，通用与优化DPM仿真典型值相对于实验典型值的偏差大小分别为δc＝0.35和δo＝0.15，于是优化DPM相对于通用模型对比，典型值偏差减小为优化前的比例为Δ＝δo/δc＝0.428． m/s这组实验在不同时间做过3次(每次实验数据都与表2非常接近)，一共9组数据，相应算出9个Δ值，这9个Δ的算术平均值是0.45，所以得到仿真结果的平均偏差约为优化前的45%．如果在数轴上观察各个区间的分布情况，能够看出优化DPM所描绘的转换区间明显比通用DPM接近实流实验．3.2 颗粒沉降气相临界速度的仿真与实验在流型为管底流状态时，当气相入口速度逐渐降低时有更多的颗粒在管底滚动(或滑动)前进，越多的颗粒碰撞管底后不会弹起，速度进一步降低，有部分颗粒因速度不足而不能通过孔板，滞留在孔板前部的管道下方及孔板前部直角区的位置．这种工况可以在实验装置透明管道中观察到．当有颗粒滞留时，气相入口速度称为颗粒沉降的气相临界速度，这一量值是本节实验与仿真所研究的对象．因DPM颗粒轨迹曲线是跟踪计算程序由统计平均所得到的一簇平均轨道，颗粒对管壁的小角度撞击反弹与在管底悬浮或滚动(或滑动)行为之间不易区分，研究中发现存在一个角度阈值α0，在式(14)中相关程序定义α0＞α2时，颗粒撞击管底后不会弹起，而是在管底壁面上滚动(或滑动)前进，此时如果气相速度相对高些，颗粒会再次被吹起，流过孔板，而当气相速度较低时，就易于出现因速度不足而滞留在管道底部的沉降工况．在实验中发生沉降现象的速度点两侧，流量点每隔0.05,m/s进行仿真对比，得到DPM模型优化前后沉降时气相临界速度仿真与实验对比结果，优化后颗粒沉降气相临界速度平均偏差量减小为优化前的50%，这组实验同样在不同时间做过3次，表3是其中具有代表性的一次数据，共得9组数据，偏差量的计算方法同第3.1节．另外还需说明，经过仿真可知，3块不同孔板对应的阈值α0有所不同，当孔板β＝0.50、0.65、0.75时，α0的取值分别为4.5°、4.0°、3.0°．3.3 孔板前后阻力损失的验证将气固两相流中的颗粒群运动，视为一种特殊的流体，两相流在实验管道中流动，受到摩擦阻力与局部阻力，后者为孔板节流导致的旋涡造成的阻力损失．这2种阻力损失的大小，可以按照下面方法测量：将实验段管道中孔板前50,mm至孔板后950,mm的管道部分，作为实验段．如果不加装孔板，所测量的阻力损失就是这段管道的摩擦阻力损失；加装孔板后，测量值为管道摩擦阻力损失与孔板局部阻力损失之和．孔板厚度仅有3,mm，可以完全忽略长度为3,mm管段上的摩擦阻力损失．在这个实验管段之前已经有足够长的直管段，气体与颗粒已经发展成为管内匀速流(空气及颗粒的流动速率都为定值)．在孔板前50,mm作为实验段的起点，两相流在流经孔板经节流后，在孔板后10D (500,mm)已恢复成为管内匀速流，颗粒在管道内无滞留，所以取孔板后950,mm处作为实验段的终点是合适的，两端的气体与颗粒流动的速率相等．这样可以将阻力损失用两端的压力降(表压降)来衡量，。
液固两相流原理在磨料水射流喷嘴的数值模拟
液固两相流原理在磨料水射流喷嘴的数值模拟聂百胜 孟筠青 姬宗锋（1、资源与安全工程学院，中国科技大学和中国矿业大学（北京），北京100083，中国；2、煤炭资源国家重点实验室和安全矿业，中国科技大学和中国矿业大学，北京100083，中国）摘要：在等温条件下，根据多相流动的拉格朗日离散相模型，提供了基于多相位运动的磨料水射流喷嘴的数学模型，然后确定不能压缩流体在前磨料水射流锥筒形喷嘴处的边界条件并应用FLUENT 进行软件模拟。
重复测试表明：轴向速度及连续相的脉动压力在喷嘴分别呈轴对称，并且在轴线有一个极值点;在两处磨料加速，在前面的收缩段，速度迅速增加，而在后面直段，速度增加缓慢。
圆柱体的长度为100毫米，喷嘴的直径为8毫米，倾斜角为 15。
建立的模型的速率在10毫米处有极值点。
模拟测试是优化喷嘴结构，提高效益和发展的基础。
关键词：水射流切割；磨料；喷嘴；数值模拟中图分类号：TD313文献标识码：A 文章编号:1004-0579（2009）02-0157.05 磨料水射流切割技术与安全工程是相关的。
磨料水射流切割是 “冷切割”，切割过程中不会产生热量，较为安全，所以它特别适合于在易燃易爆环境工作。
在矿井中，切割岩石，螺栓等金属材料有许多要求。
喷嘴是磨料水射流的重要组成部分，可将水的静压势能转化为水的动能。
磨料的冲击速度是影响磨料水射流的动能冲击切割能力的一个重要因素。
因此，如何提高磨料颗粒的速度对提高切割能力具有非常重要的意义。
随着计算机技术和计算数学的发展，计算流体软件的开发，使得分析高速复合液成为可能。
磨料水射流喷嘴处的流场是一种典型液固两相紊流模型。
在这篇论文中，将通过数值模拟方法对喷嘴的液固两相流场进行模拟，可以清楚地解释喷嘴的几何形状对磨料速度影响的规律。
在矿业发展上，该成果可为优化磨料水射流切割设备提供依据。
1、磨料水射流喷嘴流场的数学模型磨料水射流喷嘴的流场是液固两相流模型的一种。
Fluent软件 管道中液固两相流动数值模拟研究
管道中液固两相流动数值模拟研究摘要：本次的课题研究主要是了解管道流动的概念及应用，熟悉管道固液两相流的一般计算，分析固体颗粒在环空油管中的沉降。
采用商业软件对气体输送系统进行模拟。
本课题利用Gambit建立几何模型，将模型导入Fluent进行模拟计算，Tecplot软件进行后处理，计算结果用可视化图形表示出来，进而加以分析和总结。
本文对颗粒的沉降末速度进行了分析，分别建立了有、无接箍时的颗粒沉降模型，认为流体在油管中的流动是层流状态。
模拟结果表明，固相的速度分布曲线与液相速度分布曲线相似，只是固相速度曲线相对液相速度分布曲线向下平移了一定数值；颗粒主要分布于环空油管的中部，且分布较均匀；在忽略接箍的影响下，颗粒排出量要大于受接箍影响下的颗粒排出量，原因是接箍附近产生了涡流，颗粒沉降较多。
关键词：固液两相流；数值模拟；Fluent软件中图分类号：TB126Pipe flow characteristics of entranceAbstract：Keywords：solid- liquid two -phase flow；Numerical simulation; Fluent software Classification: TB126目录摘要： (I)Abstract (II)目录.............................................................................................................................. I II 1 引言. (1)1.1 研究背景 (1)1.2 国内 (1)1.3 课题基本内容和拟解决的主要问题 (2)1.4 欧拉-拉氏模型 (3)1.5 研究方法 (3)1.6 研究意义 (4)2理论方法 (4)2.1控制方程 (4)2.1.1质量守恒方程 (4)2.1.2 动量守恒方程 (4)2.1.3层流的控制方程 (5)2.2采用方法 (5)2.2.1 GAMBIT软件介绍 (5)2.2.2 GAMBIT操作步骤 (7)2.2.3 FLUENT软件介绍 (7)2.2.4 FLUENT操作步骤 (8)3 实验原理 (10)3.1工作原理........................................................................... 错误!未定义书签。
水平圆管固液两相稳态流动特性数值模拟
水平圆管固液两相稳态流动特性数值模拟张宏兵;陈露露;谢荣华;刘兴斌;郑希科;尚作萍【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2009(0)5【摘要】@@引言rn在石油领域,经常会遇到油水两相混合流动现象,如钻井液与原油在水平管道或水平井中的分层流动或环状流动[1-2].最近十几年,水平管道油水多相流实验及数值模拟取得了一些成果[3-4].但是在水平管道液相(水和/或油)中通常存在挟沙问题,由于固相沙颗粒的存在,使得水平管道液相流动特性参数分布特征发生改变,对原油输运、产液剖面测井方法设计产生影响.为此,需要研究水平管道固液多相流流动特性.【总页数】7页(P1162-1168)【作者】张宏兵;陈露露;谢荣华;刘兴斌;郑希科;尚作萍【作者单位】河海大学土木工程学院,江苏,南京,210098;河海大学土木工程学院,江苏,南京,210098;中国石油大庆油田有限责任公司,黑龙江,大庆,163453;中国石油大庆油田有限责任公司,黑龙江,大庆,163453;中国石油大庆油田有限责任公司,黑龙江,大庆,163453;河海大学土木工程学院,江苏,南京,210098【正文语种】中文【中图分类】O359【相关文献】1.水平90°弯管内固液两相流动的数值模拟 [J], 马晓阳;武传宇;陈洪立;窦华书2.脱硫泵固液两相流动的数值模拟与磨损特性 [J], 李昳;何伟强;朱祖超;张玉良;崔宝玲3.球阀固-液两相流流动特性与压力损失数值模拟 [J], 石喜;贡力;陶虎;李露;李江涛4.倒置液固流化床内液固两相流动特性的数值模拟 [J], 沈志恒;刘文铁;金记英;陆慧林5.突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟 [J], 李国美;王跃社;亢力强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于CFD的充填管道固-液两相流输送模拟及试验
基于CFD的充填管道固-液两相流输送模拟及试验吴迪;蔡嗣经;杨威;王文潇;王章【摘要】In order to solve the gravity transportation problems of backfilling slurry by pipelines in Hemushan Iron Mine, solid-liquid two-phase flow theory and computational fluid dynamics (CFD) method were used. Two-phase flow control equations of backfilling slurry in the pipeline through the gravity transportation were established. The three-dimensional (3D) mesh model of real pipeline was established using soft Gambit and the numerical simulation was conducted in the 3D solver of Fluent. Through analyzing resistance loss of the pipeline and force condition of the elbow, optimal transportation concentration and volume flow of the backfilling slurry were acquired. The slump test and natural settlement test of backfilling slurry and in-situ industrial transportation test verify the reliability of the numerical simulation results. The research results provide important basis for the parameter selection of the permanent backfilling system in the mine.%为解决和睦山铁矿充填料浆的管道自流输送问题,采用固-液两相流理论和计算流体动力学(CFD)方法,建立充填料浆在管道中自流输送的两相流控制方程;利用Gambit构造实际管道的三维网格模型,在Fluent的3D解算器中进行数值模拟.通过分析管道输送的阻力损失和弯管部分的受力情况,获得料浆输送的最佳浓度和流量.料浆坍落度试验、自然沉降试验以及现场工业输送试验验证了数值模拟结果的可靠性.研究结果为该矿即将投入使用的永久充填系统运行参数的选取提供了重要的依据.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(022)007【总页数】8页(P2133-2140)【关键词】自流输送;固-液两相流;计算流体动力学;数值模拟;阻力损失【作者】吴迪;蔡嗣经;杨威;王文潇;王章【作者单位】北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;马钢集团矿业有限公司,马鞍山243000;马钢集团矿业有限公司,马鞍山243000【正文语种】中文【中图分类】TD853.34Abstract:In order to solve the gravity transportation problems of backfilling slurry by pipelines in Hemushan Iron Mine,solid-liquid two-phase flow theory and computational fluid dynamics (CFD) method were used. Two-phase flow control equations of backfilling slurry in the pipeline through the gravity transportation were established. The three-dimensional(3D) mesh model of real pipeline was established using soft Gambit and the numerical simulation was conducted in the 3D solver of Fluent. Through analyzing resistance loss of the pipeline and force condition of the elbow,optimal transportation concentration and volume flow of the backfilling slurry were acquired. The slump test and natural settlement test of backfilling slurry and in-situ industrial transportation test verify the reliability of the numerical simulation results. The research results provide important basis for the parameter selection of the permanent backfilling system in the mine.Key words:gravity transportation; solid-liquid two-phase flow; computational fluid dynamics; numerical simulation;resistance loss充填采矿法能够有效保护矿区地表及周边生态环境、降低矿石损失贫化、减少尾矿的排放以及控制采场的地压，因而近些年来被越来越多的地下矿山所采用。
液固两相流体热毛细对流中颗粒动态积累结构研究
第52卷第4期2021年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.4Apr.2021液固两相流体热毛细对流中颗粒动态积累结构研究黄鑫1，梁儒全1,2，范俊庚1(1.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁沈阳，110819；2.临沂大学机械与车辆工程学院，山东临沂，276000)摘要：采用计算流体力学−离散元法(CFD-DEM)将流体与颗粒耦合，数值研究微重力下高径比对液固两相流体热毛细对流和液桥内颗粒动态积累结构(PAS)的影响。
研究结果表明：水平面(z =0)上温度场旋转1周，监测点的温度周期性变化m 次；随着高径比增加，方位角波数减少，水平面(z =0)上低温冷区的数目减少；沿着液桥的自由面，流体的速度由上至下先增加后减小，速度的振荡强度则由上至下逐渐增强；三向耦合下颗粒分布也呈现出PAS ，液桥俯视图的中心区域出现不同形状的颗粒较少区域；所有颗粒按照近似的轨迹协同运动，使PAS 随热毛细对流以相同的角速度旋转。
关键词：热毛细对流；振荡特性；功率谱密度；颗粒动态积累结构；计算流体力学−离散元法(CFD-DEM)中图分类号：O782；TK121文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）04-1251-10Study on dynamic particle accumulation structure inthermocapillary convection for liquid-solid two-phase flowHUANG Xin 1,LIANG Ruquan 1,2,FAN Jungeng 1(1.Key Laboratory of National Education Ministry for Electromagnetic Processes of Materials,Shengyang 110819,China;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Linyi University,Linyi 276000,China)Abstract:The effects of aspect ratio on the thermocapillary convection and the particle dynamic accumulation structure(PAS)inside the liquid bridge were studied by using the coupled computational fluid dynamics and discrete element method(CFD-DEM).The results show that when the temperature field of the horizontal cross section z =0rotates once,the temperature of the fixed points changes periodically m times.As the aspect ratio increases,the azimuthal wave number decreases,and the number of cold regions in horizontal cross section z =0decreases.Along the free surface of the liquid bridge,the velocity of fluid increases first and then decreases from top to bottom,and the velocity oscillation strengthens from top to bottom.The PAS is also observed in simulationsDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.04.021收稿日期：2020−06−07；修回日期：2020−08−23基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51676031，51976087)(Projects(51676031,51976087)supported by theNational Natural Science Foundation of China)通信作者：梁儒全，教授，博士生导师，从事多相流研究；E-mail ：*************引用格式：黄鑫,梁儒全,范俊庚.液固两相流体热毛细对流中颗粒动态积累结构研究[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(4):1251−1260.Citation:HUANG Xin,LIANG Ruquan,FAN Jungeng.Study on dynamic particle accumulation structure in thermocapillary convection for liquid-solid two-phase flow[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(4):1251−1260.第52卷中南大学学报(自然科学版)based on three-way coupling.There is a region with fewer particles in the center of the top view of a liquid bridge.All particles move together in an approximate pattern,which explains why the PAS rotates at the same angular velocity as the thermocapillary convection.Key words:thermocapillary convection;oscillatory characteristics;power spectral density;particle dynamic accumulation structure;CFD-DEM采用浮区法制备晶体过程中，在流体流动的驱动力为浮力、毛细力等。
突扩圆管内液固两相流冲刷腐蚀过程的数值模拟_张政
片 、管道 、阀门等工业过流部件大量和频繁损坏的主 要原因[ 1] .冲刷腐蚀过程非常复杂 , 影响因素众多 , 涉及流体力学 、材料科学 、电化学等多学科的交叉 , 目前对其过程机理的认识有待进一步深入 .本文将 采用现代计算流体力学(CFD)方法以突扩圆管为例 对液固两相流冲刷腐蚀过程进行数值模拟研究 .
体将按当地流体时均性质生成新的流体旋涡 , 并从
此开始下一次颗粒与流体旋涡之间的交互作用 .颗
粒就是这样不停地和一系列流 体旋涡发生交 互作
用 , 直到运动到出口为止 .
显然 , 固体颗粒和单个流体旋涡之间的交互作
用时间(τ)应为流体旋涡寿命(τe)和颗粒在流体旋
涡中的滞留时间(τr)两者之中的较小者 , 即 :
(3.State Key Lab .for Corrosion and Protection , Institute of Metal Research , The Chinese Academy Sciences , Shenyang 110016)
ABSTRACT Erosion -corrosion of liquid -solid tw o -phase f low occurring in a 304# st ainless steel pipe wit h suddenly expanded cross -section is numerically studied .A comprehansive model f or erosion -co rrosion process includes three main components :t he liquid -solid tw o -phase flow model , erosion model and corrosion model .T he Eulerian -Lag rangian approach is used to simulate liquid -solid tw o -phase flow , t hat is , Reynolds time -averaging equations are solved to simulate fluid phase , while stochastic t raject ory model is adopted to obt ain properties of particle phase .T w o -w ay coupling effect bet ween t he fluid phase and the particle phase is considered in the paper .The f easibility of the models is examined by t he data f rom references .T he esults show that the model is basically correct and feasible . KEY WORDS erosion -corrosion , liquid -solid tw o -phase flow , numerical simulation , stochast ic trajectory model , t wo -way coupling
气_液_固两相流中的粒子速度
∃
A
p p
V p dA
A
和 [ Gs ] 之 间 的 偏 差 进 行
1
1 1
实验装置及测试方法
实验装置及操作参数
本文通过两个实验案例进行考察 , 涉及气 固 和液 固两种体系。案例 1 中的实验装置如图 1 所 示。提升管为内径 186 m m 的有机玻璃提升管。提 升流体为空气 , 颗粒相为石英砂 ( m ,
2220
化
工
学
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第 61 卷
M 图 4 两个案例中 [ Gs ] # p 和 AT F ig 4
∃
A
p
p
V pd A
图5 的比较 F ig 5 V p dA
在两相流场中某点处某流动参数 F 随时间 t 的变化
A
M Co mpa rison of [ G s ] # p w ith AT
∃
A
Va riation of flow par ameter F w ith time
Particle velocit y in g as/ liquid solid tw o phase flow
F AN Yiping, E Cheng lin, L U Chunx i, GA O Jinsen, XU Chunming, SH I M ing x ian
( State K ey L abor atory o f H eav y O il , China Univ er sity of Petr oleum , Beij ing 102249, China )
2218 m- 2
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第 61 卷
s - 1 。因此, 若提升管截面面积 A 已知 , 则
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突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟
作者：李国美， 王跃社， 亢力强， LI Guo-Mei， WANG Yue-She， KANG Li-Qiang
作者单位：李国美,王跃社,LI Guo-Mei,WANG Yue-She(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西,西安,710049)， 亢力强,KANG Li-Qiang(中国科学院力学研究所,北京,100190)
刊名：
工程热物理学报
英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS
年，卷(期)：2008,29(12)
被引用次数：3次
1.郑玉贵,姚治铭,柯伟流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制[期刊论文]-腐蚀科学与防护技术 2000(1)
2.J A C Humphrey Fundamentals of Fluid Motion in Erosion by Solid Particle Impact 1990(03)
3.Neisic S;Postlethwaite J Relationship Between the Structure of Disturbed Flow and Erosion/Corrosi-on 1990
4.张政,程学文,郑玉贵,柯伟,姚治铭突扩圆管内液固两相流冲刷腐蚀过程的数值模拟[期刊论文]-腐蚀科学与防护技术 2001(2)
5.刘永兵,陈纪忠,阳永荣管道内液固浆液输送的数值模拟[期刊论文]-浙江大学学报（工学版） 2006(5)
6.Crowe C T;Sommerfeld M;Tsuji Y Multiphase Flows with Droplets and Particles 1998
7.Di Felice R The Voidage Function for Fluid-Particle Interaction Systems 1994
8.W Blatt;T Kohley;U Lotz The Influence of Hydrodynamics on Erosion-Corrosion in Two-Phase LiquidParticle Flow 1989
1.李国美.王跃社.孙虎.亢力强.王燕令.何仁洋.LI Guomei.WANG Yueshe.SUN Hu.KANG Liqiang.WANG Yanling. HE Renyang节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟[期刊论文]-石油学报2009,30(1)
2.亢力强.郭烈锦.KANG Li-Qiang.GUO Lie-Jin风沙运动的DPM数值模拟[期刊论文]-工程热物理学报2006,27(3)
3.闫大壮.杨培岭.任树梅.Yan Dazhuang.Yang Peiling.Ren Shumei滴头流道中颗粒物质运移动态分析与CFD模拟[期刊论文]-农业机械学报2007,38(6)
1.邓智强,梁晓瑜,吴欢欢原油输运管路冲蚀影响因素仿真研究[期刊论文]-中国测试 2015(05)
2.鲁进利,张汪林,韩亚芳,钱付平细小圆管内Micro-PCMS紊流对流传热特性的CFD-DPM模拟[期刊论文]-过程工程学报 2015(5)
3.李抗新型组合式气力输送供料器压降特性研究[学位论文]硕士 2010
引用本文格式：李国美.王跃社.亢力强.LI Guo-Mei.WANG Yue-She.KANG Li-Qiang突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟[期刊论文]-工程热物理学报 2008(12)。