细颗粒物沉积现象在工业生产和环境保护中发挥着重要作用,如通风系统、污染物控制和工业反应器设计。上述工艺所涉及的壁面或多或少存在粗糙结构。由于连续运行和长时间暴露在空气表面的缘故,使设备表面存在缺陷,例如裂缝和变形。颗粒沉积在壁面上导致设备工作效率降低,严重时甚至损坏设备。因此,颗粒沉积行为引起了国内外学者的广泛关注。颗粒沉积是一种非常复杂的现象,尤其是在粗糙的表面上,颗粒的运动受到许多因素的影响,如颗粒的性质、壁的形态和流动特性等。气流携带颗粒在壁面流动时,在重力沉降和气体湍流的共同作用下颗粒会倾向于向壁面移动并沉积。此外,粗糙壁面不规则的波峰和波谷增加了壁面附近的气体扰动,加速了颗粒与壁面之间的相互作用。因此,综合考虑颗粒间以及颗粒与壁面的碰撞、回弹、沉积等运动对阐明颗粒沉积机理具有重要意义。本文采用计算流体力学与离散单元法耦合(CFD-DEM)对气固两相流运动进行模拟。气相采用雷诺应力模型和近壁面两层模型预测流道内近壁面流动状况,颗粒相采用离散单元法中软球模型,根据牛顿第二定律跟踪颗粒运动情况。忽略颗粒对流体的影响,仅考虑颗粒间、颗粒与壁面、气体对颗粒的三向耦合。首先对细颗粒颗粒粒径范围1～50μm在布置横肋壁面的的流道内颗粒沉积特性进行分析,研究了横肋形状、和壁面表面能对趋壁沉积运动的影响;其次为了能够良好的反应粗糙度对颗粒沉积影响,采用三维Weierstrass-Mandelbrot函数建立能反映真实壁面的粗糙模型,并验证了该粗糙壁面在流场中的适用性;最后,计算了 2～50μn颗粒在粗糙度为0.1-1.0mm、风速为3-9m/条件下颗粒趋壁运动特性。得到以下结论:相比于光滑壁面,粗糙壁面气相流场更复杂。其一,在近壁面附近会产生明显的速度波动,当颗粒运动到近壁面附近时会随气流发生跳跃性的运动;其二,粗糙度导致边界层厚度增大,小颗粒一旦进入粘附底层很难从壁面脱离;其三,粗糙结构附近会生成一系列的湍流涡,这些涡结构对小颗粒的卷吸效应影响极大。对于横肋壁面,横肋壁面的沉积速度曲线程V型变化,不同形状横肋壁面颗粒沉积曲线基本一致,横肋结构迎风面对颗粒起到很强的拦截作用,而背风面起到对颗粒卷吸作用。此外,不同表面能下颗粒沉积速度,同种粒径下,随壁面表面能增大,颗粒沉积速率逐渐增大。表面能变化导致颗粒的切向力和法向力的变化。对于随机粗糙壁面,发现粗糙壁面近壁区域的湍流动能明显大于光滑壁面,导致小颗粒沉积速率增加1-2个数量级。在非均匀壁面上不同角度的斜坡使大颗粒具有增强的回弹效应。气流速度在增加颗粒动能、增强回弹效应、提高壁面附近湍流动能方面具有多重作用。