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应用基于GPU的离散单元法模拟研究立管颗粒流动
彭莉
学位类型博士
导师李洪钟
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(dem) 立管排料稳定性 特征区域 关键转变区域 临界料柱高度
摘要

立管系统凭借其构造简单、造价低廉等优点,广泛应用于颗粒物料的输送。但实际工业应用立管仍然面临着不稳定排料这一挑战,不稳定排料不仅降低了颗粒的输送效率,而且影响着生产运行的稳定性和安全性。已有研究工作虽然对立管不稳定排料有一定研究,但其本质原因仍不清楚。本论文从立管内颗粒流动入手,在阐述清楚颗粒流动机理的基础上,揭示了立管排料稳定性问题的本质;同时,构建了立管稳定运行的约束性方程;并拓展了当量重力理论模型用于模拟负压差下的立管排料。理解立管排料稳定性的关键是明确立管内颗粒流动特征及机理。传统的立管排料模拟研究中,料面高度普遍偏低,不足以摆脱孔口对其上部颗粒的影响,导致立管内过渡区的流动特征及机理不明确。基于此,本论文通过优化的离散单元法(DEM),通过提高模拟料面高度,完全摆脱了孔口的影响,明确了过渡区的流动特征及机理。结果表明,在立管排料状态改变过程中,过渡区内存在关键转变区域。当关键转变区域出现不稳定流动后,加速颗粒传递到孔口处需要一定时间,在这段时间,孔口处颗粒速度并无变化,立管依然维持稳定排料。这也揭示了立管排料稳定性问题的本质其实是立管内颗粒流动稳定性发生了变化,维持颗粒分布平衡的借以克服重力的颗粒与管壁面之间稳定摩擦作用消失,排料量的波动只是颗粒流动变化的作用结果,也是立管内不稳定流动的宏观表现。在此基础上,将关键转变区域空隙率初始变化时所对应的立管料面高度定义为避免不稳定流动的临界料柱高度。在深入研究了颗粒性质(如颗粒密度、颗粒内摩擦系数)以及设备设计参数(孔口尺寸)对立管临界料柱高度的基础上,构建了立管稳定运行的约束性方程,为相关工业设计及操控提供了理论指导。另外,传统负压差立管排料模拟采用CFD-DEM耦合的方法,计算过程复杂。针对该问题,本文结合散料力学和DEM模型,提出了当量重力理论模型,用以计算负压差情况下的立管排料。该模型通过散料力学理论优化DEM模型中的重力加速度项,无需DEM和其它流体软件进行耦合,达到了简化模型和提升效率的效果,为后续展开立管研究奠定了基础。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24337
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
彭莉. 应用基于GPU的离散单元法模拟研究立管颗粒流动[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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