探究计算流体力学两相流流动的模拟及两相流模型的研究

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1、2005年1月中文摘要很多工业工程中都存在着固体颗粒悬浮于湍流流场中的现象。颗粒阻力系数是在模拟和设计这些过程中最为重要的多相流体力学参数之一。对于一些简单的情况，可以通过目前的经验或半经验关联式进行预测。但对于大多数工业过程，这些关系式并不适用。本文利用商业化软件FLUENT作为计算平台，把计算流体力学(CFD)与两相流流动结合起来预测阻力系数。在此过程中，固体颗粒的沉降速度被作为衡量阻力系数的指标，用来与实验测量所得值进行比较。首先，采用CFD技术对单相流体流动的情况进行模拟。本文所模拟的过程基于Brucato

2、等人所做的阻力系数测量实验的基础之上。计算是在三维体系中展开，在满足收敛以及质量守恒条件后，得到了在三个搅拌水平(300rpm、500rpm和700rpm)、不同湍流模型(k-￡和k-aRNG模型)下的单相流场。在单相流模拟的基础上，本文引入了欧拉多相模型对固体颗粒在湍流场中的沉降过程进行了预测。主要考察了在300rpm下，不同阻力系数经验关联式以及不同进口流速对固体沉降速度的影响。由于欧拉模型需要首先输入适用于所模拟情况的阻力系数关联式，而现存的经验关系式对于本文所涉及的情况均不适用，因而使得由欧拉模型所得固体沉

3、降速度与实验测量值相比有较大的差距。最后，由单相流流场，本文引入了基于拉格朗日法的离散相模型对固体颗粒在湍流场中的沉降过程进行模拟。主要考察了在300rpm，500rpm和700Ipm三种搅拌水平下，不同步长因子、不同时问步长、不同湍流模型以及不同固体颗粒入射方式对固体沉降速度的影响。由所预测结果与实验值比较可知，相对于欧拉法，拉格朗同法更加适用于固液相流体力学计算。关键词：计算流体力学多相流模型欧拉拉格朗同阻力系数ABSTRACTSolidparticles’dispersionorsuspensioninafl

4、uidphaseisoftenapractiseinmanyIndustrialprocesses．Theparticledragcoefficientisoneofthemostimportanthydrodynamicparametersinvolvedinthemodelinganddesignofsuchprocesses．Manyempiricalfunctionsanddatacorrelationsforpredictingthedragcoefficientcallbefoundinliteratu

5、res．Forsomesimplecases，thosecorrelationsaregoodenoughtogiveaccurateresults．However，theycouldnotbeapplicableswhenappliedtoindustrialprocess．Theobjectiveoftheworkreportedinthisthesisistointegratingcomputationalfluiddynamics(CFD)andtwo—phaseflowmodelstopredictthe

6、dragcoefficient．AcommercialCFDcodeFLUENTisemployed．Inthesimulations，thesolidsettlingvelocitiesweretakenastheindexrepresentingthedragcoefficientandcomparedwiththeexperimentalones．TheCFDmodelbuiltinthisworkisbasedonaspeciallydesignedexperimentalset—upbyBrucatoet

7、．a1．formeasuringdragcoefficient．3Dsinglephaseflowfeldsweresimulatedatthreerotationspeeds(300rpm，500rpmand700rpm)．Twodifferentturbulencemodels他吒andk_￡RNGmodel)wereusedforcomparisons．Basedondevelopedsinglephase，Eulermulti-phasemodelwasusedtopredict‘thesolidsettl

8、inginaturbulencefield．Theeffectsofdifferentdragcoefficientempiricalexpressionsinletvelocityonthesettlingvelocitieswereevaluated．Theresultsshowthepredictedsettlingvelocitiesareinsig