一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CFD‑DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，包括如下步骤：建立喷动床传热过程的物理模型；建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；进行CFD‑DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；选取几组不同形状的颗粒，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；分析比较在不同形状颗粒的温度场变化，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律；本发明专利技术可以优化实际工况中热工参数，提高干燥效率，降低生产损耗，提高社会和经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法
本专利技术涉及计算机数值模拟领域，具体而言，涉及一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法。
技术介绍
喷动床作为典型的流态化设备具有流型简单规则，气固接触充分，传热效率高，适合处理不规则、粘性等非常规颗粒，方便处理热敏性物料等突出优势。经过60多年持续不断的基础研究和技术开发，其应用领域不断拓展，目前已广泛应用于农业、食品、制药、能源、环保、化工、核燃料等众多领域，主要包括干燥、混合、造粒、包衣涂层等多种物理工艺过程，同时在煤气化、生物质制合成燃料、油页岩热解、铁矿石还原、焦炭活化、石油催化裂化等诸多热化学工艺中也显示出巨大的应用潜质。这些工艺过程所涉及的颗粒超过70％呈非球形，因此，研究和掌握非球形颗粒在喷动床中的传热特性对于喷动床的结构设计、工艺参数优化和应用推广具有重要的现实意义。
技术实现思路
基于此，为了解决现有技术的非球形颗粒喷动床内传输过程的数学模型复杂而导致分析改进优化困难的问题，本专利技术提供了一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其具体技术方案如下：一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，包括以下步骤：采用组合球方法建立不同Ar的椭球颗粒模型；建立喷动床传热过程的物理模型；建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；选取几组不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒填充的喷动床，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；分析比较不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒的喷动床内平均颗粒温度及温度标准差，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律。进一步地，所述连续性方程为：其中：ρf为气体密度，单位为kg/m3；εf为气体局部空隙率；u为气体表观速度，单位为m/s。进一步地，所述动量方程为：其中：p为气体压力，单位为Pa；Ffp为单位体积内气体颗粒间相互作用力，单位为N；g为重力加速度，单位为m/s2；τ为气相应力张量，单位为Pa。进一步地，所述能量方程为：其中：cpf为气体比热容，单位为J/(kg·K)；kf气体导热系数，单位为W/(m2·K)；Ap为颗粒表面积；Tf为气体温度，单位为K；Tp为颗粒温度，单位为K；hfp为气体与颗粒间对流换热系数。进一步地，所述Ap由下式计算：Ap＝6(1-εf)/dp。进一步地，所述hfp由下式计算：其中：i表示第i个颗粒；Pr为普朗特数，由下式计算：Pr＝(uf·cpf)/kf；Re为雷诺数，由下式计算：Re＝(ρf·dp·vf)/uf；dp为颗粒直径，单位为m；vf为气体流速，单位为m/s；uf为气体粘度，单位为kg/(m·s)。进一步地，所述颗粒运动控制方程为：其中：mi为第i个颗粒质量，单位为kg；vi为第i个颗粒水平速度，单位为m/s；fe，ij为第i个颗粒和第j个颗粒之间的弹性力，单位为N；fd，ij为第i个颗粒和第j个颗粒之间的粘性阻尼力，单位为N；fpf，i为第i个颗粒与流体之间的作用力，单位为N；mig为第i个颗粒的重力，单位为N；Ii为第i个颗粒转动惯量，单位为kg·m2；ωi为第i个颗粒的旋转速度，单位为rad/s；Tt，ij为第i个颗粒和第j个颗粒之间的切向力矩，单位为N·m；Tr，ij为第i个颗粒和第j个颗粒之间的滚动摩擦力矩，单位为N·m。进一步地，第i个颗粒和第j个颗粒间导热方程，具体为：Qi，j＝hc(Tj-Ti)其中：Tj为第j个颗粒温度，单位为K；Ti为第i个颗粒温度，单位为K；hc为热传导系数。进一步地，所述hc由下式计算：其中：fn为第i个颗粒和第j个颗粒之间的法向接触力，单位为N；R*为第i个颗粒和第j个颗粒之间的平均几何半径，单位为m；E*为等效弹性模量，单位为Pa；kp为颗粒导热系数，单位为W/(m·K)。进一步地，所述物理模型包括网格以及边界线。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术采用离散相DEM理论建模，可对传热过程中任意时刻任意颗粒的温度和传热速率变化进行观测、仿真计算分析。2.本专利技术综合考虑颗粒间导热、气体和颗粒对流换热以及颗粒形状的变化，使仿真计算分析更贴近实际情况，计算结果更为精确。3.本专利技术可以通过更改入口参数，对比传热效果，对实际热工参数的优选提供理论依据。4.本专利技术具有成本低、精度高等显著优点，可以较容易获得某些通过实验方法不容易获得的非球形颗粒传热的规律及参数。附图说明从以下结合附图的描述可以进一步理解本专利技术。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。图1为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的流程图；图2为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床的结构示意图；图3为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床物理模型网格划分及边界条件的示意图；图4为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的非球形颗粒示意图；图5为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的喷动床物理模型CFD-DEM耦合计算过程示意图；图6为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的5秒时颗粒温度分布图；图7为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒平均温度曲线图；图8为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒温度标准差曲线图；图9为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒1秒时温度频率分布曲线图；图10为本专利技术实施例之一中一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法的不同Ar颗粒5秒时温度频率分布曲线图。附图标记说明：1、空气压缩机；2、压力表；3、稳压装置；4、流量计；5、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n采用组合球方法建立不同Ar的椭球颗粒模型；/n建立喷动床传热过程的物理模型；/n建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；/n建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；/n进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；/n选取几组不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒填充的喷动床，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；/n分析比较不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒的喷动床内平均颗粒温度及温度标准差，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用组合球方法建立不同Ar的椭球颗粒模型；
建立喷动床传热过程的物理模型；
建立喷动床传热过程中的流体相控制方程组，所述流体相控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程；
建立固相控制方程，所述固相控制方程包括颗粒运动控制方程、颗粒间导热方程；
进行CFD-DEM耦合仿真，并获取固相颗粒的温度；
选取几组不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒填充的喷动床，在喷气速度，气体温度等其它参数相同的条件下进行模拟计算；
分析比较不同Ar的椭球颗粒及球形颗粒的喷动床内平均颗粒温度及温度标准差，得到颗粒形状对流化床颗粒温度场的影响规律。


2.如权利要求1所述的一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，所述连续性方程为：



其中：
ρf为气体密度，单位为kg/m3；
εf为气体局部空隙率；
u为气体表观速度，单位为m/s。


3.如权利要求2所述的一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，所述动量方程为：



其中：
p为气体压力，单位为Pa；
Ffp为单位体积内气体颗粒间相互作用力，单位为N；
g为重力加速度，单位为m/s2；
τ为气相应力张量，单位为Pa。


4.如权利要求3所述的一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，所述能量方程为：



其中：
cpf为气体比热容，单位为J/(kg·K)；
kf气体导热系数，单位为W/(m2·K)；
Ap为颗粒表面积；
Tf为气体温度，单位为K；
Tp为颗粒温度，单位为K；
hfp为气体与颗粒间对流换热系数。


5.如权利要求4所述的一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过程的方法，其特征在于，所述Ap由下式计算：Ap＝6(1-εf)/dp。


6.如权利要求4所述的一种基于CFD-DEM模型分析非球形颗粒喷动床内传输过...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂殿玉，周鹏，崔佳鑫，李政权，张思钊，熊仕显，邹瑞萍，
申请(专利权)人：赣江新区澳博颗粒科技研究院有限公司，江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36