基于DPD方法的海泡石矿粉气固两相流动数值模拟研究

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随着超细粉体技术的发展和对海泡石研究的深入,高纯度、低粒径的海泡石产品受到国内外的广泛关注。射流分级机是实现海泡石矿粉提纯分级的核心装备之一,其设计关键在于对海泡石矿粉气固两相流动机理的研究。本文针对传统气固两相流数值方法的不足,基于耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)方法针对气固两相流在水平圆管内的流动行为开展了深入研究,主要围绕以下几个方面进行了探讨:(1)引入经典DPD方法,包括控制方程、积分算法、计算流程等,解决了传统数值方法无法获取流场介观尺度信息的不足。并且以空气为研究对象,模拟了Poiseuille流动,并与理论解进行了对比,验证了DPD方法描述气体连续相的可行性和DPD程序的准确性。(2)考虑到DPD方法难以描述固体颗粒的天然缺陷,引入了离散单元法(Discrete Element Method,DEM)软球模型求解离散相,建立了DPD-DEM耦合模型,并提出了计算更为高效的耦合方式。基于上述模型,采用同样的参数复现了Tsuji的经典实验,通过与实验结果的对比,表明了该模型具有较高的模拟精度和良好的计算效率。(3)通过测量得到了模拟所需的海泡石矿粉颗粒特性,基于这些参数,采用DPD-DEM模型模拟得到了空气-海泡石矿粉颗粒两相管流的流动过程。进一步分析了流态变化、颗粒水平速度、气体速度、颗粒浓度、颗粒分布等气力输送特性,并揭示了流动过程中一些介观现象的形成机理。(4)搭建了海泡石矿粉颗粒正压气力输送实验平台,基于PIV技术测量了水平管内海泡石矿粉颗粒气固两相管流的流动特性,并将其与仿真结果进行了对比。在误差范围内,实验与仿真结果吻合良好,验证了DPD-DEM模型模拟气固两相流的可行性和对空气-海泡石矿粉颗粒两相流动特性预测的准确性。上述研究表明,本文提出的DPD-DEM耦合模型可以有效处理气固两相流问题,实现了介观尺度下对高气固比管流的研究;揭示了以5μm粒径为代表的海泡石矿粉颗粒的流动特性,对后续进一步研究海泡石矿粉在复杂流场下的提纯分级提供了数学模型和理论基础。
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