申请/专利权人：陕西中烟工业有限责任公司

申请日：2019-12-18

公开（公告）日：2024-06-07

公开（公告）号：CN111062132B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.07#授权;2020.05.19#实质审查的生效;2020.04.24#公开

摘要：提供一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法，本发明是依据细长柔性丝状生物质的物理特点而构建细长柔性丝状颗粒模型，并与开源的OpenFoam软件进行耦合，实现细长柔性丝状颗粒在流态化加工过程中数值模拟，数值模拟结果能够全息仿真细长柔性丝状颗粒在流态化加工过程中的运动特性，生动逼真的表征不同工况条件下细长柔性丝状颗粒流化形态以及传质传热效率，经验证，本方法模拟结果与现场实验数据基本趋于一致，可靠性教高，使得细长柔性丝状颗粒在流态化过程中的相互作用机理得到了便捷、高效的捕捉和再现，得到较真实客观的反映，为细长柔性丝状颗粒的流态化加工设备的改进与优化设计提供了有效解决途径，具有重要的理论意义和实用价值。

主权项：1.一种细长柔性丝状颗粒模型的构建及其数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤；1依据细长柔性丝状颗粒的物理结构特性，基于DEM模型，构建细长柔性丝状颗粒模型，添加细长柔性丝状颗粒模型约束力方程，建立细长柔性丝状颗粒模型的运动方程；2通过CAD绘图软件画出三维实体模型，并使用Pointwise依据三维实体模型划分出模拟区域的计算网格节点；3利用OpenFoam对所述网格建立基本物理模型：基本控制方程，即连续性方程、动量方程、能量方程，并建立壁面碰撞模型；4定义细长柔性丝状颗粒的物性参数，所述的物性参数包括：密度ρ、厚度h、宽度d、长度l、滚动摩擦系数μr；5将构建的柔性丝状颗粒模型与开源的计算流体力学数值模拟软件OpenFoam耦合，实现柔性丝状颗粒模型离散模拟的并行模拟计算；6定义通道进出口边界条件及壁面条件；7定义初始条件：柔性丝状颗粒的数量，柔性丝状颗粒模型的初始位置、初始速度，定义气相的初始速度及密度；8对步骤3的基本控制方程进行离散化，并采用步骤6和步骤7中定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解；9对整个计算区域初始化，设定时间步长和模拟时长，对计算区域内代数方程组进行反复迭代，直到满足设定的模拟时长，完成柔性丝状颗粒流态化过程的数值模拟，并运用时间步保存机制对计算结果进行保存；10对计算进行后处理分析和显示；上述步骤1中，在DEM模型中，颗粒被假设成刚体，DEM模型处理颗粒间碰撞时，颗粒与颗粒的相互作用允许发生微小重叠，颗粒只能与相邻的颗粒发生作用，单个颗粒所受作用可以由所有颗粒对其作用的加和；DEM模型中颗粒的碰撞作用力采用弹簧-阻尼器-滑动摩擦器模型进行处理计算；采用Hooke模型计算颗粒间作用力，单个球型颗粒间的作用力的计算方法运动方程及其运动如下：碰撞作用力由法向力和切向力两部分组成，假设颗粒i质心到颗粒j质心的方向为法方向，则颗粒i受到的法向力Fn和切向力Ft为：Fn＝knδnij-γnvnij1Ft＝ktδtij-γtvtij，max|Ft|＝|μFn|2kn法向上的刚性系数,γn法向为阻尼系数,kt法向上的刚性系数,γt切向为阻尼系数,δnij为颗粒间的重叠量，δtij切向力产生的颗粒位移，μ为颗粒的滚动摩擦系数；vnij是碰撞颗粒相对速度在法向上的分量，vtij是碰撞颗粒之间的滑移速度；Hooke模型中，δtij忽略不计，则kn，γn，kt，γt的计算如下： kn＝kt6γn＝γt7这4个系数根据相互碰撞的两个颗粒的属性与接触状态计算： 其中R为颗粒半径，m为颗粒质量，e为系数，Y为杨氏模量，v为泊松比；在DEM模型的基础上,通过在分组的颗粒间彼此添加一个作用势函数,通过添加作用势函数将颗粒捆绑在一起，使之形成柔性丝状颗粒；势函数形式如下：Ψijrij＝krij-ro19其中rij表示i和j两个颗粒之间的距离；Ψij是对势，ro为截断半径，这里相当于硬球半径，k为作用系数；具体捆绑方法：通过对颗粒间添加一个作用势函数，颗粒在运动的过程中，当相邻的颗粒间超过了设定的截断半径，颗粒间添加的势函数就会起作用，对两者施加作用力，将两者束缚在一起，当相邻的颗粒间小于设定的截断半径，颗粒在DEM模型受力的基础上，额外添加势函数同样对两者施加作用力，将两者排斥开来，使颗粒间距恢复到设定的截断半径；通过捆绑方法，最终形成柔性丝状烟丝颗粒模型；除DEM模型以及颗粒间的作用势函数外，颗粒平动和转动的运动方程遵循牛顿第二定律，分别为： 其中m和I表示颗粒的质量和转动惯量；v和ω表示颗粒的平动和转动速度；t为时间；g表示重力加速度；R表示从颗粒质心指向碰撞接触点的矢量，其值为颗粒半径；对颗粒位置与速度方程的求解过程，采用了蛙跳算法进行迭代更新，蛙跳算法用t时刻的位置与t-Δt2时刻的速度，更新位置与速度，用更新t时刻的位置计算得到的作用力Ft，公式如下： 上述步骤3中，细长柔性丝状颗粒在流态化的过程中基本呈现湍流运动，其基本控制方程如下；1.流体控制方程流体相满足质量守恒和动量守恒方程： 其中，为气体速度，εg为气相体积分率，为网格内的颗粒平均速度，β为气固间曳力系数，为气相所受合力，包括接触力，范德华力；2.颗粒相控制方程 Ψp-p＝kdp-p-rcut23 其中，为压差力，Fc为颗粒间相互作用力，Fd为颗粒所受曳力，mg为颗粒重力，Ψp-p为柔性丝状颗粒链中颗粒间捆绑作用力，k为受力系数，dp-p为柔性丝状颗粒链中颗粒间距离，rcut为柔性丝状颗粒链中颗粒圆心距；上述步骤5中，所述细长柔性丝状颗粒模型与OpenFoam耦合，即就是将细长柔性丝状颗粒模型的颗粒相与OpenFoam求解的气相相互作用；其中，气相和固相耦合主要交互是曳力，曳力计算采用Gidaspow提出的曳力模型，Gidaspow曳力模型如下： 曳力系数Co计算如下： 雷诺数的计算公式如下： 在统计计算εg和us时，需要将固相的柔性丝状颗粒信息映射到气相的网格内，采用简单的规则网格，直接采用中心点法进行映射，即通过颗粒中心所在的位置计算在气相网格中所占的体积分数；固相的柔性丝状颗粒速度信息按照传统的处理DEM颗粒模型进行处理计算，气固两相间的作用采用Gidaspow曳力模型进行交互计算。

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