消失模型砂气力输送运动行为的数值模拟研究

发布时间：2017-07-19 17:27

  本文关键词：消失模型砂气力输送运动行为的数值模拟研究

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【摘要】：气力输送是利用气体作为输送介质,将管道中的固相颗粒物料从一处运往另一处的输送方式。因在输送过程中没有回程,且管道中的固相颗粒物料与外界环境完全隔绝,既不会受到外界环境的影响,也不会对外界环境造成污染,设备也比较简单,是一种环境友好型的输送方式。因此,气力输送越来越受到各行各业的关注,有着广泛的应用前景。本文采用数值模拟的方法,对粒径大、真密度高的铸造用型砂颗粒在垂直提升管及水平输送管气力输送过程中的气固两相流动特性进行了模拟分析。基于FLUENT模拟过程中对气相采用k-ε标准方程模型,将型砂固相颗粒看作拟流体,建立了以固相颗粒动力学为理论基础的欧拉双流体的数学物理模型。基于FLUENT软件平台,利用已建立的以固相颗粒动力学为理论基础的欧拉双流体数学物理模型,根据已知的输送要求及工艺参数,再结合其他的一些实际应用中的输送条件,分别对不同工况下垂直提升管及水平输送管中的气力输送过程进行模拟研究,得到了不同工况下,气固两相的速度分布、浓度分布及压降分布。针对垂直提升管的模拟结果得到以下结论:不论空气输送速度是否变化,气固两相在垂直提升管中始终存在加速阶段和恒速阶段;而且,型砂颗粒在提升管内的停留时间随着空气输送速度的增加而减短,即型砂颗粒的输送速度随着空气输送速度的增加而增加;当颗粒密度增大时,提升管内的静压力也增大,同时管道内的静压降也变大。针对水平输送管的模拟结果得到以下结论:与垂直提升管中的气力输送过程相同,水平输送管道中的气力输送过程可以分为加速和恒速两个阶段;当空气输送速度及固相颗粒密度均保持不变时,在水平方向上,固相颗粒的浓度呈中心高、壁面低的分布;在垂直方向上,固相颗粒呈“I”型分布;在输送量一定的情况下,任凭空气输送速度变化,始终存在一个最佳经济速度点;在空气输送速度一定的情况下,最佳经济速度及压降均随着输送量的增大而增大。且在气力输送过程中,水平管道中的压降比垂直提升管中的压降小,最佳经济速度也比垂直提升管小。当其他参数均保持不变时,当固相颗粒密度有所增大时,压降也会有所下降;当固相颗粒密度的增大时,最佳经济速度先降低后增大,意味着对应最低输送能耗有一个最佳密度值。通过对不同管道中气固两相流的流动特性进行研究,准确掌握管道内部流动状况,对减小输送过程中对管道的影响,以及提高输送效率和工厂实际改造都有一定的指导意义。
【关键词】：型砂 气力输送 拟流体 数值模拟 最佳经济速度
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG221;O359
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题研究背景11
• 1.2 气力输送技术及发展11-12
• 1.3 气力输送的特点12-13
• 1.4 气力输送系统的分类13-16
• 1.4.1 按照气力输送装置的型式进行分类13-14
• 1.4.2 按气固两相流的输送本质分类14-16
• 1.5 气力输送过程中的动力学特征16-17
• 1.5.1 管道压降16-17
• 1.5.2 系统的输送速度17
• 1.6 气力输送的输送状态17-19
• 1.6.1 垂直提升管中的气力输送状态17-18
• 1.6.2 水平输送管中的气力输送状态18-19
• 1.7 气力输送的研究现状19-23
• 1.7.1 气力输送的实验研究现状19-21
• 1.7.2 气力输送的数值模拟研究现状21-23
• 1.8 研究内容及意义23-26
• 1.8.1 研究内容23-24
• 1.8.2 研究意义24-26
• 第2章 气固两相流基本理论与FLUENT软件简介26-45
• 2.1 气固两相流的主要参数26-27
• 2.1.1 气固两相的浓度26
• 2.1.2 气固两相的密度26-27
• 2.1.3 气固两相的粘度27
• 2.1.4 空隙度27
• 2.1.5 比表面积27
• 2.2 气力输送过程中固相颗粒的受力分析27-30
• 2.2.1 惯性力28
• 2.2.2 阻力28
• 2.2.3 重力和浮力28
• 2.2.4 压力梯度力28-29
• 2.2.5 Basset力29
• 2.2.6 Saffman升力29
• 2.2.7 虚假质量力29-30
• 2.2.8 magnus升力30
• 2.2.9 其他情况下受到的力30
• 2.3 气固两相流的流动模型30-34
• 2.3.1 固相颗粒轨道模型31-32
• 2.3.2 欧拉双流体模型32-34
• 2.4 型砂气固两相流数学模型的简化假设34-35
• 2.5 型砂气固两相流数学模型的选取35-37
• 2.6 FLUENT软件介绍及求解过程37-39
• 2.7 几何模型的建立与网格划分39-40
• 2.8 边界条件40-41
• 2.8.1 垂直提升管气相边界40
• 2.8.2 垂直提升管固相边界40
• 2.8.3 水平输送管气相边界40
• 2.8.4 水平输送管固相边界40-41
• 2.9 垂直提升管中的FLUENT求解过程41-44
• 2.9.1 与网格相关的操作41
• 2.9.2 建立求解模型41
• 2.9.3 多相流模型及湍流模型的选取41-42
• 2.9.4 设置流体材料及属性42
• 2.9.5 基本相与第二相的设置42
• 2.9.6 运算环境的设置42-43
• 2.9.7 设置边界条件43-44
• 2.10 本章小结44-45
• 第3章 垂直提升管中气力输送的数值模拟分析45-54
• 3.1 垂直提升管中气力输送计算的基本条件45
• 3.2 计算结果分析与讨论45-48
• 3.2.1 气相和固相颗粒在不同高度截面处的速度分布45-46
• 3.2.2 空气相和型砂颗粒在不同高度截面处的浓度分布46-48
• 3.2.3 输送管道沿程的压力和速度分布48
• 3.3 空气输送速度对气固两相流场的影响48-52
• 3.3.1 空气输送速度对固相浓度分布的影响49-50
• 3.3.2 空气输送速度对固相颗粒速度的影响50-52
• 3.4 固相颗粒密度对其在管道内的压降的影响52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 水平输送管中气力输送的数值模拟分析54-72
• 4.1 模型特征54
• 4.2 边界条件54
• 4.3 水平输送管道的横截面上固相颗粒、空气相平均速度沿管道长度的变化54-58
• 4.4 固相颗粒浓度分布58-59
• 4.5 气固两相轴向速度分布59-60
• 4.5.1 空气相轴向速度分布59-60
• 4.5.2 固相颗粒轴向速度分布60
• 4.6 输送空气速度和输送量对压降和最佳经济速度的影响60-62
• 4.7 输送空气速度对固相颗粒浓度分布和气固两相速度的影响62-66
• 4.8 固相颗粒密度对水平管道中气力输送过程的影响66-71
• 4.8.1 固相颗粒密度对固相颗粒速度分布的影响66-68
• 4.8.2 固相颗粒密度对固相颗粒浓度分布的影响68-70
• 4.8.3 固相颗粒密度对压降的影响70-71
• 4.9 本章小结71-72
• 结论与展望72-74
• 5.1 结论72
• 5.1.1 垂直提升管中得出的结论72
• 5.1.2 水平输送管中得出的结论72
• 5.2 展望72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文79

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本文编号：564031