稠密颗粒射流撞击过程的实验研究和数值模拟

• 作 者: 王悦
• 机 构: 华东理工大学
• 出 处: 华东理工大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 稠密颗粒射流 撞击过程 颗粒膜 非轴对称振荡 波纹结构 不稳定性

本文以华东理工大学多喷嘴对置式气化炉为研究背景，采用高速摄像仪、图像处理软件(Image J)以及离散元(DEM)数值模拟等方法，系统研究了稠密颗粒射流撞击过程的类液体行为及其不稳定性。主要内容如下:　　(1)研究了稠密颗粒射流撞击流动模式以及颗粒粒径、射流速度、撞击角度和固含率等因素对流动模式和形态的影响。结果表明:随着颗粒粒径、颗粒射流速度的增大以及固含率的减小，稠密颗粒射流撞击形态由颗粒膜转变为散射形态。随着撞击角度的增大，撞击后部分颗粒向撞击点上方运动，颗粒膜高度和宽度均增大。　　(2)研究了稠密颗粒射流撞击颗粒膜的非轴对称振荡和波纹结构，揭示了颗粒膜不稳定性的形成机理。结果表明，随着射流速度的增大和固含率的减小，颗粒膜发生非轴对称振荡。随着射流速度的增大，非轴对称振荡频率和振幅均增大，表面波纹结构更加明显，且波纹传播速度u/u0介于0.7至0.9之间。颗粒膜上波纹结构存在叠加现象，并导致表面波纹结构频率降低、波长增加。颗粒膜非轴对称振荡频率与射流流量脉动频率相当，因此气固间相互作用引起的射流不稳定性是颗粒膜不稳定性形成的主要原因。　　(3)采用DEM（离散单元法）对稠密颗粒射流撞击进行了数值模拟，揭示了不同流动模式的形成机理。结果表明:不同撞击角度和固含率下稠密颗粒射流撞击流动模式的模拟与实验结果吻合良好，颗粒传播速度随着-z/D的增大而增大。通过对撞击区颗粒碰撞频率和正应力分布进行统计分析，发现随着射流固含率的增大，颗粒间时均碰撞频率增大，碰撞正应力减小，颗粒速度与能量变得更加均一，从而更容易形成颗粒膜。