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离散单元法(DEM)在颗粒流动混合过程模拟中的应用
于福海
学位类型博士
导师李静海
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工程
关键词离散单元法 颗粒 混合 胶囊 Gpu并行
摘要

离散单元法(Discrete element method, DEM)是进行颗粒流模拟的主流方法,并且能够适应不同的颗粒物性以及设备操作条件。但是DEM方法本身存在计算量巨大、模拟时间过长等问题,因而难以针对工业规模的设备进行颗粒流动混合方面的模拟。为了克服此困难,本论文在前人工作基础上拓展并优化了基于多尺度异构超级计算机系统的高效大规模离散单元模拟程序,实现了胶囊和拟二维圆柱等非球形颗粒的模拟。基于该程序,考察了滚筒混合器以及料斗内颗粒的物性对其流动混合性能的影响,加深了对相应设备中颗粒的流动混合机理的认识。论文基于开发的大规模并行DEM程序对水平滚筒混合器内抄板的结构以及排布进行了相应的设计优化以提高滚筒的轴向混合性能。结果表明,交错抄板设计不仅能够促进颗粒的径向抛洒作用而且能够促进颗粒沿抄板的轴向导流作用。在所模拟的条件下,交错抄板滚筒的轴向混合效率分别达到无抄板滚筒以及全抄板滚筒的16倍和5倍。而且交错抄板的结构设计在不同颗粒粒径、形状、物性以及滚筒尺寸下均展现出良好的混合性能,具有良好的适用性和广泛的应用前景。对滚筒内胶囊颗粒的混合过程的模拟表明,颗粒的形状能够显著影响其在滚筒内的堆积密度和胶囊颗粒的空间取向,从而影响滚筒内颗粒的混合性能。颗粒的密度对颗粒体系最终的混合均匀程度的影响更加显著。在本文考察的胶囊颗粒的物性范围内,颗粒物性对滚筒内颗粒偏析结构的影响表现为:尺寸效应>密度效应>形状效应。而且通过形状与密度效应的共同作用能够有效提高颗粒混合物的平衡均匀度。对于另一种典型的颗粒操作设备-料斗,本论文模拟了拟二维圆柱颗粒的落料过程,并得到了杜克大学Tang的实验数据的验证。结果表明,相比于传统的线性模型,三维非规则颗粒碰撞受力模型对料斗的落料过程的模拟预测具有更高的准确性。同时基于该方法,对料斗内颗粒的物料性质、组分配比和差异进行了系统地考察。结果表明,Beverloo方程能够较好地预测多粒径颗粒体系在料斗中的落料过程。但是,当颗粒尺寸差异较大或者料斗开口尺寸与颗粒体系的有效粒径的比值较小时,料斗内颗粒体系的力链强度会明显增加,增大体系内颗粒的流动阻力,促进体系内动态拱桥的生成,降低料斗的整体落料速度。本论文对DEM模型与模拟方法的改进及其在颗粒流动与混合研究中的应用表明,该方法能有效分析相关机理,并具有良好的工业应用前景。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24326
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
于福海. 离散单元法(DEM)在颗粒流动混合过程模拟中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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